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CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS DE CAPACHO DE MAÍZ (ZEA
MAYS) COMO MATERIAL DE REFUERZO ALTERNATIVO PARA EL
CONCRETO MEDIANTE ENSAYOS MECÁNICOS
Autores:
ROBINSON DANIEL CAUSIL VILLALBA
VÍCTOR ALFONSO GUZMÁN MESTRA
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
MONTERÍA - CÓRDOBA
2016
II
CARACTERIZACIÓN DE LAS FIBRAS DE CAPACHO DE MAÍZ (ZEA
MAYS) COMO MATERIAL DE REFUERZO ALTERNATIVO PARA EL
CONCRETO MEDIANTE ENSAYOS MECÁNICOS
Autores:
ROBINSON DANIEL CAUSIL VILLALBA
VÍCTOR ALFONSO GUZMÁN MESTRA
Director:
ING: LUIS ARMANDO ESPITIA SANJUÁN
INGENIERO MECÁNICO
MAGÍSTER EN INGENIERÍA DE MATERIALES Y PROCESOS
DOCTOR EN INGENIERÍA METALÚRGICA Y MATERIALES
UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
MONTERÍA - CÓRDOBA
2016
III
La responsabilidad ética, legal y científica de las ideas, conceptos y resultados del
proyecto, serán responsabilidad de los autores.
Artículo 61, acuerdo N° 093del 26 de noviembre de 2002 del consejo superior.
IV
NOTA DE ACEPTACIÓN
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_____________________________________
LUIS ARMANDO ESPITIA SANJUÁN
Director
_____________________________________
VALERY JOSÉ LANCHEROS SUÁREZ
Jurado
_____________________________________
DEMÓSTENES JOSÉ DURANGO ÁLVAREZ
Jurado
V
DEDICATORIA
A Dios por haberme permitido llegar hasta este punto, darme la salud para lograr los
objetivos y obtener este momento tan especial en mi vida. A mis padres Juan Causil
Mórelo y Marlenes Villalba Suarez y hermanas por su apoyo, confianza y amor, gracias
por brindarme los recursos necesarios y hacerme una mejor persona a través de sus
consejos y enseñanzas. A todas las demás personas que hicieron este sueño realidad,
gracias por todo y Dios los bendiga.
Robinson Daniel Causil Villalba
En primer lugar, a Dios por hacer posible este objetivo y brindarme salud y fortaleza
para cumplir una meta más en mi vida. A mis padres Marcos Guzmán y Olga Mestra y
mis hermanos por su apoyo incondicional en todos los aspectos, y por siempre
brindarme su confianza. A Eva Mejia por su apoyo incondicional, mis tíos Enith
Durango y Henrry Mora por siempre estar pendiente de mí y por ayudarme en este
proceso. A mi abuela Anadelfa Mora que se encuentra en el cielo, quien fue una gran
motivación para salir adelante. A todas las demás personas que hicieron este sueño
realidad, gracias por todo y Dios los bendiga.
Víctor Alfonso Guzmán Mestra
VI
AGRADECIMIENTOS
A Dios por permitirnos llegar a esta etapa de nuestras vidas, donde se abren nuevos
caminos por recorrer. A nuestros padres por todo el respaldo, la motivación y su
confianza incondicional que nos han brindado, gracias a ellos hemos conseguido lograr
una meta más en nuestras vidas. En general a toda nuestra familia, gracias.
Gracias a nuestro director de tesis, el ingeniero Luis Armando Espitia Sanjuán por la
confianza, el apoyo, sus enseñanzas, su valioso tiempo y por su generosidad al
permitirnos recurrir a su capacidad y experiencia científica en el marco de confianza,
afecto y amistad fundamentales para la concertación de este trabajo.
Al ingeniero Robinson Martínez por permitirnos trabajar en su laboratorio, gracias por
todas las facilidades y asesorías.
A todos los demás colaboradores que sin su ayuda no habría sido posible culminar este
trabajo, y a los compañeros del programa por su amistad y apoyo.
VII
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 1
2. OBJETIVOS ................................................................................................. 4
2.1. Objetivo general ....................................................................................... 4
2.2. Objetivos específicos ................................................................................ 4
3. MARCO TEÓRICO ..................................................................................... 5
3.2. Fibras naturales ......................................................................................... 5
3.2. Fibras de capacho de maíz ...................................................................... 10
3.3. Tratamientos para conservar la materia orgánica ................................... 13
3.2.1. Parafina ............................................................................................... 15
3.2.2. Hidróxido de Calcio (Cal) ................................................................... 16
3.3. Caracterización físico química ............................................................... 18
3.4. Ensayo de tensión ................................................................................... 19
3.5. Concreto .................................................................................................. 23
3.5.1. Agregados del concreto....................................................................... 23
3.5.2. Concreto reforzado con fibras ............................................................. 25
3.5.3. Ensayo de compresión para concreto .................................................. 29
4. MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................... 31
4.1. Obtención y tratamientos de las fibras de capacho de maíz (FCM) ...... 31
4.2. Caracterización físico química de las FCM ............................................ 32
4.2.1. Análisis próximo de FCM ................................................................... 32
4.2.2. Análisis elemental de FCM ................................................................. 33
4.2.3. Densidad de FCM ............................................................................... 33
4.3. Ensayos de tensión en las FCM .............................................................. 34
VIII
4.4. Elaboración de probetas de concreto para ensayos a compresión .......... 36
4.5. Ensayo de las probetas de concreto reforzado con FCM ........................ 40
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................ 42
5.1. Recolección del capacho de maíz y obtención de fibras ....................... 42
5.2. Análisis próximo de la FCM .................................................................. 43
5.4. Análisis elemental de la FCM ................................................................ 47
5.5. Densidad de FCM ................................................................................... 48
5.4. Ensayo de tensión en las FCM................................................................ 49
5.5. Concreto reforzado con FCM ................................................................. 56
5.5.1. Caracterización de los agregados en el concreto ................................ 56
5.5.2. Elaboración de la probetas de concreto reforzado con FCM .............. 59
5.6. Resistencia a compresión de las probetas de concreto reforzado con FCM
............................................................................................................... 61
5.6.1. Efecto de la adición de FCM y del tratamiento en la resistencia a
compresión del concreto. ..................................................................... 64
5.6.2. Efecto de la longitud de la FCM en la resistencia a compresión del
concreto. .............................................................................................. 69
5.6.3. Efecto del porcentaje de FCM en la densidad del concreto ................ 72
5.6.4. Análisis de falla en las probetas de concreto ...................................... 73
6. CONCLUSIONES ...................................................................................... 81
7. RECOMENDACIONES ............................................................................ 84
8. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................ 85
9. ANEXOS .................................................................................................... 96
IX
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1: Estructura general de una fibrilla de celulosa natural................................. 6
Figura 3.2: a) Esquema de las partes de una mazorca de maíz, b) detalle de una hoja de
capacho de maíz .......................................................................................................... 11
Figura 3.3: Fibrilla de capacho de maíz ...................................................................... 12
Figura 3.4: Curva esfuerzo-deformación correspondiente a una aleación de aluminio.
..................................................................................................................................... 20
Figura 3.5: Esquema del montaje de una fibra en una máquina de tensión ................ 22
Figura 3.6: Mecanismo de puenteo de las fibras en el concreto. ................................ 26
Figura 3.7: Comportamiento de la resistencia a compresión de concreto reforzado con
fibra de acero ............................................................................................................... 27
Figura 3.8: Tipos de fallas comunes en probetas de concreto ensayadas a compresión
..................................................................................................................................... 30
Figura 4.1: a) Máquina universal de ensayos marca Shimadzu de 5 KN utilizada para
ensayos de tensión en FCM. b) Microscopio estereoscópico Nikon modelo SMZ800
utilizado para la toma de imágenes de área transversal de las FCM c) Montaje de la
fibra en marco de cartulina. ......................................................................................... 36
Figura 4.2: Agregados provenientes del lecho del río Sinú utilizados en la elaboración
de probetas de concreto reforzado con FCM. a) Arena natural lavada y b) Piedra de
canto rodado ................................................................................................................ 37
Figura 4.3: a)Tamices bajo la Norma ASTM D136 con los que se caracterizó los
agregados y b) Moldes cilíndricos bajo norma ASTM C31 con los que realizó las
probetas de concreto reforzado con FCM. .................................................................. 37
Figura 4.4: Máquina PINZUAR modelo PC 42 empleada para los ensayos de
compresión a las probetas de concreto reforzado con FCM. ...................................... 40
Figura 5.1: Apariencia de una hoja de capacho durante el proceso de desfibrado y
algunas fibras obtenidas en este proceso ..................................................................... 42
Figura 5.2: Comparación de análisis próximo de la cascarilla de arroz y del carbón tipo
almendra con la FCM empleadas en este trabajo ........................................................ 46
X
Figura 5.3: Comparación de poder calorífico de diferentes biomasas con el de la FCM
empleadas en este trabajo ............................................................................................ 46
Figura 5.4: Análisis elemental de la FCM .................................................................. 47
Figura 5.5: Comparación de análisis elemental de FCM con la cascarilla de arroz y el
bagazo de caña. ........................................................................................................... 48
Figura 5.6: Gráficas de esfuerzo-deformación unitaria para cuatro muestras de FCM
NT, TC y TP ensayadas a tensión ............................................................................... 49
Figura 5.7: Gráfica típica de fuerza vs deformación de la norma ASTM C1557 2014
..................................................................................................................................... 50
Figura 5.8: Diagrama esfuerzo-deformación unitaria para FCM NT donde se evidencia
la gran cantidad de picos ............................................................................................. 51
Figura 5.9: Diagrama esfuerzo-deformación unitaria para FCM TC donde se evidencia
una disminución de la cantidad de picos ..................................................................... 51
Figura 5.10: Diagrama esfuerzo-deformación unitaria para FCM TP donde se evidencia
la raducción de picos ................................................................................................... 52
Figura 5.11: Valores promedio de módulo de Young para las FCM tratadas y no
tratadas. ....................................................................................................................... 53
Figura 5.12: Valores promedios de resistencia a tensión de las FCM tratadas y no
tratadas. ....................................................................................................................... 53
Figura 5.13: Imágenes y valor del área de fractura de FCM a) NT b) TC y c) TP .... 54
Figura 5.14: Porcentaje de deformación promedio en FCM sometidas a tensión con
distintos tratamientos .................................................................................................. 55
Figura 5.15: Granulometría de agregado fino utilizado para realización de probetas de
concreto. ...................................................................................................................... 57
Figura 5.16: Granulometría de agregado grueso utilizado para la realización de
probetas de concreto .................................................................................................... 58
Figura 5.17: Proceso de fabricación de las probetas. a) llenado de los moldes y golpes
con varilla de acero b) golpes laterales con martillo de goma para la extracción de aire
c) enrasado y fraguado d) curado en agua ................................................................... 61
XI
Figura 5.18: Valores promedio de resistencia a compresión para el tratamiento de
control y las diferentes mezclas de concreto reforzado con FCM con 3, 7 y 28 días de
curado. ......................................................................................................................... 62
Figura 5.19: Resistencia a compresión en función de la edad de curado de las probetas
TC-L20-0,5; TC.L50-0,5; TP-L20-0,5 y control. ....................................................... 63
Figura 5.20: Resistencia a compresión en función del porcentaje de fibra para los
tratamientos de hidróxido de calcio (TC) y parafina (TP) a los 28 días de curado a)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM de 20 mm de longitud b)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM de 50 mm de longitud. ......... 64
Figura 5.21: Distribución de FCM en la matriz de concreto. a) Concreto con 1,5 % de
FCM b) Detalle de la aglomeración presentada en probetas con alto volumen de FCM
c) Concreto con 0,5 % de FCM. .................................................................................. 66
Figura 5.22: a) FCM después de cada tratamiento, observándose la forma en que se
arquean las fibras despues de ser sometidas al tratamiento de hidróxido de calcio a
diferencia de las fibras tratadas con parafina b) distribución de las FCM dentro de la
matriz de concreto para el tratamiento con hidróxido de calcio a un volumen de 1,5 %
de fibra c) distribución de las FCM dentro de la matriz de concreto para el tratamiento
con parafina a un volumen de 1,5 % de fibra ............................................................. 69
Figura 5.23: Curvas de resistencia a compresión en función del porcentaje de fibra para
las longitudes de FCM de 20 y 50 mm a) Comportamiento para el concreto reforzado
con FCM tratadas con hidróxido de calcio para 28 días de curado b) Comportamiento
para el concreto reforzado con FCM tratadas con parafina para 28 días de curado. .. 70
Figura 5.24: Densidad de las diferentes mezclas de concreto reforzado con FCM. ... 72
Figura 5.25: Tipos de falla producidos en las probetas de concreto durante los ensayos
de compresión. a) Falla tipo 2 encontrada en las probetas de concreto sin FCM (control)
b) falla tipo 5 encontrada en probeta de concreto con 0,5 % de fibra, c) falla tipo 5
encontrada en probeta de concreto con 1,0 % de fibra d) Falla no referenciada en la
norma ASTM C39/C39M 2014 encontrada en probeta de concreto con 1,5 % de fibra
..................................................................................................................................... 74
Figura 5.26: Falla no referenciada encontrada en las probetas de concreto con FCM a)
grietas paralelas a la dirección de aplicación de la carga, b) detalle de las grietas.
Fuente: Los autores ..................................................................................................... 75
XII
LISTA DE TABLAS
Tabla 3.1: Composición química del capacho de maíz ............................................... 12
Tabla 4.1: Características medidas por el análisis próximo en la FCM ...................... 33
Tabla 4.2: Combinaciones y nomenclatura de las probetas de concreto reforzado con
FCM ............................................................................................................................ 39
Tabla 5.1 Resultados de análisis próximo de las FCM ............................................... 43
Tabla 5.2: Clasificación del carbón de acuerdo al poder calorífico según norma ASTM
D388 (2010) ................................................................................................................ 45
Tabla 5.3: Propiedades mecánicas de FCM, fibras naturales y fibra de vidrio ........... 55
Tabla 5.4: Propiedades de las FCM medidas en ensayo de tensión ............................ 56
Tabla 5.5: Propiedades del agregado fino utilizado para la realización de probetas de
concreto ....................................................................................................................... 58
Tabla 5.6: Propiedades del agregado grueso utilizado para la realización de probetas de
concreto ....................................................................................................................... 59
Tabla 5.7: Propiedades del cemento Portland tipo 1 utilizado para la realización de
probetas de concreto reforzado con FCM ................................................................... 59
Tabla 5.8. Cantidad de materiales empleados para obtener 1 m3 de concreto con
resistencia última de 2500 psi (17,2 MPa) (relación agua/cemento de 0,65). ............ 60
Tabla 5.9: Porcentajes en masa para la preparación de concreto con relación
agua/cemento de 0,65 .................................................................................................. 60
Tabla 5.10: Porcentaje de reducción de la resistencia a la compresión de probetas
reforzada con FCM respecto a la de control. .............................................................. 68
Tabla 5.11: Tipos de fallas encontrados en concreto reforzado con FCM.................. 76
XIII
LISTA DE ANEXOS
A 1: Diagrama esfuerzo- deformación unitaria de fibras de capacho de maíz no tratadas
..................................................................................................................................... 96
A 2: Diagrama esfuerzo- deformación unitaria de fibras de capacho de maíz tratadas
con hidróxido de calcio ............................................................................................... 98
A 3: Diagrama esfuerzo- deformación unitaria de fibras de capacho de maíz tratadas
con parafina ............................................................................................................... 100
A 4: Fotografías de área transversal de FCM NT ..................................................... 102
A 5: Fotografías de área transversal de FCM TC ..................................................... 102
A 6: Fotografías de área transversal de FCM TP ...................................................... 103
A 7: Propiedades mecánicas de las muestras FCM NT ensayadas a tensión ............ 103
A 8: Propiedades mecánicas de las muestras FCM con TC ensayadas a tensión ..... 104
A 9: Propiedades mecánicas de las muestras FCM de TP ensayadas a tensión ........ 104
A 10: Granulometría de arena de Río Sinú utilizada para la realización de las probetas
de concreto reforzado con FCM ................................................................................ 105
A 11: Cálculo de módulo de finura de arena de Río Sinú utilizada para la realización
de las probetas de concreto reforzado con FCM ....................................................... 105
A 12: Cálculo de masa unitaria de arena de Río Sinú utilizada para la realización de las
probetas de concreto reforzado con FCM ................................................................. 106
A 13: Cálculo de densidades de arena de Río Sinú utilizada para la realización de las
probetas de concreto reforzado con FCM ................................................................. 106
A 14: Cálculo de Tamaño Máximo Nominal de grava de Río Sinú utilizada para la
realización de las probetas de concreto reforzado con FCM .................................... 107
A 15: Cálculo de masa unitaria de grava de Río Sinú utilizada para la realización de las
probetas de concreto reforzado con FCM ................................................................. 107
A 16: Cálculo de densidades de grava de Río Sinú utilizada para la realización de las
probetas de concreto reforzado con FCM ................................................................. 108
XIV
A 17: Requerimientos de agua de mezclado ............................................................. 110
A 18: Curva de resistencia a compresión–relación agua/cemento ............................ 111
A 19: Volumen de grava por unidad de volumen de concreto .................................. 111
A 20: Resistencia a compresión de cada una de las probetas ensayadas .................. 112
A 21: Valores promedios de resistencia a compresión de las diferentes mezclas
evaluadas a los 3, 7 y 28 días de curado ................................................................... 115
A 22: Resistencia a compresión en función del porcentaje de fibra para los tratamientos
de hidróxido de calcio (TC) y parafina (TP) a los 3 días de curado a) Comportamiento
para el concreto reforzado con FCM de 20 mm de longitud b) Comportamiento para
el concreto reforzado con FCM de 50 mm de longitud. ........................................... 116
A 23: Resistencia a compresión en función del porcentaje de fibra para los tratamientos
de hidróxido de calcio (TC) y parafina (TP) a los 7 días de curado a) Comportamiento
para el concreto reforzado con FCM de 20 mm de longitud b) Comportamiento para el
concreto reforzado con FCM de 50 mm de longitud. ............................................... 117
A 24: Curvas de resistencia compresión en función del porcentaje de fibra para las
longitudes de FCM de 20 y 50 mm a los 3 días de curado a) Comportamiento para el
concreto reforzado con FCM tratadas con hidróxido de calcio b) Comportamiento para
el concreto reforzado con FCM tratadas con parafina. ............................................. 118
A 25: Curvas de resistencia compresión en función del porcentaje de fibra para las
longitudes de FCM de 20 y 50 mm a los 7 días de curado a) Comportamiento para el
concreto reforzado con FCM tratadas con hidróxido de calcio b) Comportamiento para
el concreto reforzado con FCM tratadas con parafina. ............................................. 119
XV
RESUMEN
En esta investigación, se evaluaron propiedades químicas y mecánicas de fibras de
capacho de maíz por medio de análisis próximo, análisis elemental y ensayos de tensión
conforme a la norma ASTM C 1557 (2014), utilizando dos tipos de tratamientos de
preparación conocidos como hidróxido de calcio y parafina. Adicionalmente, conforme
a la norma ASTM C39/C39M (2014), se evaluó la resistencia a compresión de probetas
de concreto reforzado con estas fibras con porcentajes en volumen de 0,5; 1,0 y 1,5 %,
longitudes de 20 y 50 mm y los dos tratamientos de preparación anteriormente
mencionados para 3, 7 y 28 días de curado. Se encontró que las fibras están constituidas
principalmente de carbono y oxígeno y su poder calorífico estuvo alrededor de 16600
KJ/Kg. El tratamiento con hidróxido de calcio aumentó el módulo de Young de las
fibras. Además, se encontró que a mayores porcentajes de fibras en el concreto
disminuye la resistencia a compresión, encontrando que para un porcentaje de 0,5 %
de fibras la resistencia se mantiene igual a la del concreto sin adición de fibras.
Palabras claves: Capacho de maíz, concreto reforzado, resistencia a compresión,
resistencia a tensión, módulo de Young.
XVI
ABSTRACT
In this work, chemical and mechanical properties of corn husk fibers were measured
by means of proximal analysis, elementary analysis and tensile test according to
ASTM C 1557 (2014) standard. In addition, the compressive strength of corn husk
fibers reinforced-concrete specimens after 3, 7 and 28 curing days was evaluated
according to ASTM C39/C39M (2014) standard. The concrete specimens for
compression test were prepared using 0.5, 1.0 and 1.5 volume percentage of corn husk
fibers at length 20 and 50 mm. The fibers were treated using calcium hydroxide and
paraffin for both tensile and compressive tests. It was found that fibers were mainly
constituted by carbon and oxygen, and their specific heat was around 16600 KJ / Kg.
The calcium hydroxide treatment improved the Young's modulus of the fibers. The
increase on fibers weight percentage decreased compressive strength, however, at 0.5
volume percentage the compressive strength remained almost constant when compared
to non-reinforced-concrete specimens.
Keywords: Corn husk, reinforced-concrete, compressive strength, tensile strength,
Young's modulus.
1
1. INTRODUCCIÓN
Córdoba es el segundo departamento a nivel nacional con mayor participación en
producción de maíz luego del Tolima, aportando el 15,42 % de la producción nacional
y el 15 % del área sembrada que asciende a 38000 hectáreas de maíz tecnificado y
40000 hectáreas de maíz tradicional, con rendimientos en promedio de 5,2 ton/ha y
1,6 ton/ha respectivamente (Fenalce 2011).
La producción de biomasa residual de maíz oscila entre 16 y 25 ton/ha (González 1995;
IDEA 2007; Imba 2011). En muchos casos estos desechos no reciben un tratamiento
adecuado, siendo arrojados a ríos, quebradas y suelos, modificando negativamente el
equilibrio de ecosistemas acuáticos y terrestres (Orth 1995).
La biomasa residual de maíz es utilizada como material de abono de terrenos, alimento
para animales, elaboración de artesanías, entre otras. En los últimos años han
aumentado las investigaciones sobre el uso de fibras naturales como refuerzo en el área
de la construcción, industria que está en crecimiento continuo y demanda una elevada
producción de cemento. A nivel global se producen 2800 millones de toneladas anuales
2
de cemento y se estima que aumente 4 millones de toneladas por año (Schneider et al.
2011). La producción de cemento genera toneladas de residuos minerales, grandes
cantidades de CO2 producto de los procesos de calcinación y consumo energético,
aportando el 5 % de las emisiones globales de CO antropogénico (IEA 2007; Torgal et
al. 2011). Adicionalmente, el polvo de hornos de cemento es considerado un potencial
desecho tóxico debido a su naturaleza cáustica, irritativa y pueden causar problemas de
salud en los seres humanos (EPA 1994; Habert 2013).
La construcción en la ciudad de Montería también ha mostrado un crecimiento notable.
Durante los años 2013 y 2014 se expidieron alrededor de 1421 permisos según cifras
de la Curaduría Urbana. El área urbana de la ciudad crece a 2 % por persona cada año,
por lo que se espera que para el 2040 el tamaño de la ciudad se triplique (García 2014).
El sector de la construcción tanto privada como pública, es uno de los que más genera
empleos en la ciudad de Montería, siendo causante que en el periodo octubre -
diciembre del año 2014 bajará a 7 % la tasa de desempleo (DANE 2015). El fomento
de la construcción con materiales económicos trae consigo el aumento del número de
construcciones generando empleos para el personal monteriano y mejorando la calidad
de vida de miles de familias.
Existe una tendencia mundial a utilizar biomasa residual en la fabricación de
componentes estructurales o como refuerzo en materiales tradicionales. Por ejemplo,
la resistencia a compresión del concreto reforzado con fibra de bagazo de caña
3
(Hernández 2008), con cascarilla de arroz (Morgan 2015), con fibra de coco (Ali y
Chouw 2013), con fibra de sisal (Meyer y Wei 2014) ha sido evaluada mostrando
resultados satisfactorios y acorde a esto, surge una alternativa para mitigar el impacto
que genera la mala disposición de la biomasa agroindustrial.
Con el objetivo de proveer una alternativa para la utilización de la biomasa residual de
maíz, en este trabajo se determinaron algunas propiedades mecánicas de fibras tomadas
del capacho de maíz a partir de ensayos de tensión y se evaluó el efecto de la adición
de estas fibras en la resistencia a compresión del concreto típicamente utilizado en el
sector de la construcción en la ciudad de Montería.
4
2. OBJETIVOS
2.1. Objetivo general
Caracterizar las fibras de capacho de maíz (Zea Mays) como material de refuerzo
alternativo para el concreto mediante ensayos mecánicos.
2.2. Objetivos específicos
● Caracterizar química y físicamente la fibra de las hojas externas del capacho de maíz.
● Medir propiedades mecánicas de la fibra de capacho de maíz con dos tratamientos
de preparación, realizando ensayos de tensión acorde a la norma ASTM C 1557 (2014).
● Realizar ensayos de compresión a probetas de concreto reforzado con dos
tratamientos de preparación, tres porcentajes en volumen y dos longitudes diferentes
de fibra de capacho de maíz conforme a la norma ASTM C39/C39M (2014).
5
3. MARCO TEÓRICO
3.2. Fibras naturales
Las fibras obtenidas de una planta o animal se denominan fibras naturales y son
proteínas resistentes a la mayoría de los ácidos orgánicos. La mayoría de estas fibras
se utilizan en la elaboración de textiles, aunque las fibras vegetales; las más
beneficiosas para el ambiente, se utilizan para fabricar sogas, tejidos, esteras entre otros
elementos. Algunos ejemplos de fibras naturales son el algodón, yute, lino, sisal,
bagazo de caña, coco, ramio (Julia et al. 2016).
Las fibras naturales pueden ser consideradas un material compuesto constituido por
fibrillas de celulosa, estas fibrillas están constituidas por microfibrillas de celulosa en
una matriz amorfa de lignina y hemicelulosa (Jayaraman 2003). La figura 3.1 muestra
un esquema de una fibrilla de celulosa natural. Cada fibrilla tiene una estructura
compleja y estratificada conformada por una pared primaria delgada depositada
durante el crecimiento celular y por paredes secundarias. Cada pared secundaria está
constituida por una serie de microfibrillas celulares enrolladas helicoidalmente
6
formadas a partir de moléculas de celulosa de cadena larga. Las microfibrillas tienen
típicamente un diámetro que oscila entre 10 y 30 nm, conformadas por cadenas lineales
de 30 a 100 moléculas de celulosa (El-Sabbagh 2014). El espesor de la pared secundaria
proporciona la resistencia mecánica de la fibra y en general, la resistencia a la tracción
y módulo de Young aumentan con el incremento del contenido de celulosa.
Adicionalmente, las fibras son más dúctiles si las microfibrillas tienen una orientación
de caracol con respecto al eje fibral, en caso contrario, si las microfibrillas están
orientadas paralelamente al eje, la fibra será rígida, inflexible y con alta resistencia a la
tracción (Julia et al. 2016).
Figura 3.1: Estructura general de una fibrilla de celulosa natural
Fuente: (Julia et al. 2016)
En los últimos años, ha aumentado el interés por el uso de las fibras naturales en
materiales compuestos, por su biodegradabilidad, bajo costo, renovabilidad, y por ser
7
amigables con el ambiente. Entre esas aplicaciones, se encuentra la adición de fibras
de coco, lechuguilla, sisal, bagazo de caña al concreto (Julia et al. 2016).
Quintero et al. (2006), estudiaron las propiedades mecánicas del concreto reforzado
con fibra de estopa de coco, realizando ensayos de compresión, flexión y tracción
indirecta. Fueron empleados porcentajes de fibra de 0,5 % y 1,5 longitudes de fibra de
20 y 50 mm e hidróxido de calcio como tratamiento para las fibras. Encontraron para
todas las condiciones que la adición de fibras redujo las deformaciones. Además, se
tiene un efecto positivo, puesto que, al momento de la falla las partes se mantienen
unidas, por lo que dedujeron una buena adherencia de las fibras a la matriz. Los mejores
resultados se reportaron en las probetas ensayadas a compresión y flexión, obteniendo
una mayor resistencia a compresión con un volumen de fibra de 1,5 % con longitud de
20 mm y mayor resistencia a la flexión con un volumen de fibra de 0,5 % y longitud
de 50 mm.
Hernández (2008), estudió las propiedades mecánicas del concreto reforzado con fibra
de bagazo de caña. Para ello, realizó ensayos de compresión a las probetas después de
7, 14 y 28 días de curado, con porcentajes de fibra de 2 y 4 %. Encontró que con un
porcentaje de fibra del 4 % después de 28 días de curado, se alcanzó una resistencia
casi igual a la muestra de control sin adiciones de fibra.
8
Gómez (2009), realizó ensayos de tensión a fibras naturales y a materiales compuestos
formados por poliéster insaturado reforzado con esas fibras. Se utilizaron fibras
producidas a partir de estopa de coco, bagazo de caña y fique con el fin de obtener un
material compuesto reforzado con fibra natural que sea capaz de competir en ciertas
aplicaciones con la fibra de vidrio. Los resultados mostraron que las fibras vegetales
actúan como refuerzo en el material compuesto, y que además los materiales reforzados
con fibra de bagazo de caña no presentaron buenas propiedades mecánicas en
comparación con aquellos reforzados con fibra de coco y fique. También se mostró que
estos dos últimos compuestos poseen un alto valor estético y podrían ser utilizados en
aplicaciones con bajos requerimientos de resistencia mecánica y necesidades estéticas
específicas.
Torgal y Jalali (2011), presentaron una recopilación de varios resultados de
investigación sobre la utilización de fibras naturales como material de refuerzo en el
concreto. Esta recopilación incluye las características y propiedades de las fibras, una
descripción de tratamientos utilizados para evitar la absorción de agua y para
protección contra la alta alcalinidad del cemento. Adicionalmente, discutieron la
durabilidad y degradabilidad de las fibras dentro de la matriz, las características de la
matriz de concreto y su compatibilidad con las fibras naturales.
El efecto de la variación del diámetro y del tratamiento de preparación de fibras de
coco en las propiedades mecánicas de concreto reforzado para aplicaciones de
9
estructuras de concreto resistentes a terremotos, fue evaluado a partir de ensayos de
tensión en las fibras y de compresión en el concreto reforzado por Ali y Chouw (2013).
Utilizaron como tratamientos de preparación uno químico en el cual se empleó alginato
de sodio (NaC6H7O6), y, otro térmico usando agua hirviendo (a 100 °C). Entre los
principales resultados encontraron que la resistencia a tensión y la elongación de las
cuerdas de fibra de coco aumentaron 15 % con el tratamiento de agua hirviendo y
disminuyó 24 % con el tratamiento químico, en comparación con cuerdas lavadas con
agua del grifo o no tratadas.
Meyer y Wei (2014), estudiaron la resistencia a la degradación y la durabilidad de la
fibra de henequén o sisal en una matriz de concreto. Para esto, emplearon dos métodos
para la preparación de las fibras. En el primero las fibras fueron sometidas a una
corriente de aire a 150 °C durante 8 horas. El otro fue un tratamiento químico utilizando
percarbonato de sodio (Na2CO4). El concreto reforzado con estas fibras se sometió a
ciclos de humedecimiento y secado para acelerar el envejecimiento. Posteriormente, se
evaluó su microestructura, resistencia a tensión, módulo de Young y pérdida de peso.
Se obtuvo que el tratamiento térmico mejoró las propiedades mecánicas de la fibra de
sisal debido a la mejora en la cristalinidad de la celulosa, promoviendo mayor
resistencia y mayor durabilidad de la fibra de sisal en el concreto.
Agarwal et al. (2014), estudiaron las propiedades mecánicas de vigas y columnas de
concreto reforzado con fibras de bambú. Las fibras fueron tratadas con cuatro
10
adhesivos diferentes para determinar los efectos de estos en la unión de la matriz con
las fibras. Para esto, ellos realizaron ensayos compresión axial y carga transversal a las
columnas y ensayos de flexión a dos puntos para las vigas. Usando también distintas
concentraciones de fibra para hacer una comparación entre ellas y entre matrices
reforzadas con acero. Los aditivos empleados fueron: Gel Sikadur 32, Tapecrete P-151,
Araldite y Anti Corr RC. Los resultados mostraron que entre los adhesivos evaluados,
el Gel sikadur 32, presentó un comportamiento dúctil y mayor valor de fuerza de unión
entre la matriz de concreto y la fibra de bambú. También se encontró que para un
concreto reforzado con 8 % de fibra de bambú los valores de resistencia mostrados en
los ensayos de carga axial y transversal fueron similares a los mostrados por un
concreto reforzado con 0,89 % de fibra de acero.
3.2. Fibras de capacho de maíz
El maíz es el cereal de los pueblos y culturas del continente americano y es el que más
importancia ha tenido en varios sectores de la economía a escala mundial durante el
siglo XX y en los inicios del XXI. En los países industrializados, el maíz se utiliza
principalmente como forraje, materia prima para la producción de alimentos
procesados y recientemente para la producción de etanol. En países de América Latina
y África, un gran porcentaje del maíz que se produce o importa se destina al consumo
humano (José, S. 2009).
11
Ahora, el capacho de maíz también conocido como cáscara de maíz, es el conjunto de
hojas que envuelven la mazorca para protegerla de factores climáticos e insectos. La
figura 3.2 muestra un esquema de las partes de una mazorca de maíz. Las hojas del
capacho están compuestas por fibras agrupadas linealmente una al lado de la otra
dándole forma de una lámina con dimensiones de 300 mm de largo por 150 mm de
ancho aproximadamente, como se muestra en la figura 3.2b. Las fibras están
compuestas por fibrillas con un ancho en promedio de 47,4 μm, espesor de pared
celular promedio de 7,5 μm y lumen de 32,1 μm en promedio (Prado et al. 2012), como
se muestra en la figura 3.3. Teniendo en cuenta el espesor de la pared y el ancho de la
fibra, podemos decir que las fibras de capacho de maíz presentan una pared delgada
(Petroff 1968).
Figura 3.2: a) Esquema de las partes de una mazorca de maíz, b) detalle de una hoja
de capacho de maíz
Fuente: (Márquez, H. et al. 1982)
12
Figura 3.3: Fibrilla de capacho de maíz
Fuente: (Prado et al. 2012)
Prado et al. (2012) realizaron una caracterización química y morfológica del capacho
de maíz (zea mays) y del bagazo de caña (saccharum officinarum L.), con el fin de
obtener una pulpa celulósica óptima para la producción de papel. Se encontró que el
capacho de maíz produjo un papel con mayor resistencia mecánica que aquel producido
usando bagazo de caña. La composición química del capacho de maíz reportada en este
trabajo se muestra en la tabla 3.1.
Tabla 3.1: Composición química del capacho de maíz
Compuesto Porcentaje (%) base seca
Hemicelulosa 35,72
Celulosa 43,14
Lignina 23,00
Cenizas 0,761
Fuente: (Prado et al. 2012)
13
Youssef et al. (2014) estudiaron las propiedades mecánicas del polietileno reciclado de
baja densidad (R-LDPE) reforzado con fibra de capacho de maíz para ofrecer una
alternativa a la problemática ambiental que generan los residuos agrícolas y
poliméricos. Para la obtención de la matriz, se tomó el capacho de maíz con humedad
del 2 % y por medio de un proceso de molienda se obtuvo partículas con 25 µm de
diámetro en promedio. Estas partículas se mezclaron con el polietileno reciclado en
concentraciones de 5 %, 10 %, 15 % y 20 % y por medio de un proceso de extrusión
se produjo el material compuesto. Se realizaron ensayos de tensión y de dureza., entre
los resultados encontraron que con la fibra de capacho de maíz aumentó
considerablemente la resistencia a tensión y el módulo de Young para concentraciones
de fibra de 5 % y 10 %, en comparación al polímero sin fibra, sin embargo, la dureza
disminuyó paulatinamente con el aumento del porcentaje de fibra.
3.3. Tratamientos para conservar la materia orgánica
Es necesario proteger la materia orgánica de determinadas condiciones que causen su
deterioro y así prolongar su vida útil. Las fibras vegetales poseen una alta
permeabilidad, al saturarse absorben una gran cantidad de agua, por ejemplo, las fibras
de lechuguilla absorben casi el 100 % de su peso seco (Juarez et al. 2004). En el caso
del concreto reforzado con estas fibras sin ningún tratamiento previo, absorberán agua
durante el mezclado, la cual deberá adicionarse para evitar la pérdida de trabajabilidad
de la mezcla. Además, el agua que absorben las fibras origina una inestabilidad en su
14
volumen que propicia la pérdida de adherencia con la matriz de concreto (Juárez et al.
2004). Con el fin de evitar esto, las fibras orgánicas son tratadas con ciertos tipos de
preservantes, los cuales pueden ser compuestos químicos puros o mezcla de
compuestos (Hernández 2008).
En investigaciones con fibras naturales se han utilizado los siguientes tratamientos:
parafina, utilizada en fibras de bagazo de caña y lechuguilla (Juárez t al. 2004;
Hernández 2008); hidróxido de calcio (Ca(OH)2) en fibras de coco y bagazo de caña
(González y Quintero 2006; Osorio et al. 2007); alginato de sodio (C6H7O6Na) en
fibras de coco (Alí y Chouw 2013); sulfato de sodio (Na2CO4) en fibras de sisal
(Meyer y Wei 2014) y tratamientos térmicos como agua hirviendo o flujo de aire
caliente en fibras de coco y sisal (Alí y Chouw 2013; Meyer y Wei 2014).
De acuerdo a la bibliografía consultada, los tratamientos con parafina y alcalinos de
hidróxido de sodio e hidróxido de calcio ofrecen mejores garantías en cuanto a la
adhesión fibra-matriz, preservación de las propiedades mecánicas de las fibras,
protección de las fibras contra el ambiente alcalino del cemento, ataque microbiológico
y aspecto económico (Juárez t al. 2004; Osorio et al. 2007). A continuación se
describen algunas características de los tratamientos con parafina e hidróxido de calcio,
tratamientos empleados en este trabajo.
15
3.2.1. Parafina
Es una mezcla sólida y cristalina de hidrocarburos, completamente derivada del
petróleo crudo designada como destilado de parafina. Se produce por síntesis de
hidrocarburos por solidificación a temperatura baja por extracción con disolvente. Se
caracteriza por su estado sólido y poca deformación incluso bajo presión considerable
a temperatura ambiente (25 °C), tiene baja viscosidad, y de fusión entre 47 y 65 °C. De
manera general, se le atribuyen las siguientes propiedades y características: resistencia
al agua y vapor de agua, dureza, flexibilidad, no inflamable, no oxidante, no corrosivo,
no explosivo, no tóxico, no asfixiante, no irritante, no radioactivo, apariencia y color a
masa incolora o blanca, parcialmente translúcida, con estructura cristalina, ligeramente
grasosa al tacto, soluble en cloroformo, éter, benceno y disulfuro de carbono (Edwards
2005). La parafina se usa ampliamente en la industria del papel para fabricación de
cajas, envases para leche y para alimentos friorizados entre otros elementos. La
parafina retarda la penetración de aire y humedad, incrementando así la vida de los
materiales y previniendo el deterioro de la superficie por abrasión y raspaduras
(Hernández 2008). Por otro lado, el costo, la disponibilidad, el manejo y su propiedad
como impermeabilizante, hacen que resulte viable su uso en tratamientos para
conservar la materia orgánica utilizada como material de refuerzo en concreto, porque
brinda protección contra la alcalinidad del cemento y evita la absorción de agua
presente en el concreto. Adicionalmente, la parafina en estado líquido debido a su
temperatura, detiene el ataque microbiológico por hongos a la vez que ayuda a
impermeabilizar las fibras de los medios húmedos (Morales 1995; Hernández 2008).
16
Juárez et al. (2004), realizaron una investigación sobre concreto reforzado con fibras
de lechuguilla utilizando varios tratamientos para las fibras. Usaron 6 sustancias las
cuales fueron aceite de linaza, aceite de linaza más resina natural, parafina, parafina
más resina natural, sellador para madera y creosota. Luego, muestras de fibras
preparadas con cada tratamiento fueron sometidas a un medio alcalino durante un año
para simular las condiciones del concreto y posteriormente se realizaron ensayos de
tensión. Además, realizaron probetas de concreto reforzado con fibras de lechuguillas
con los anteriores tratamientos para ser ensayadas a flexión. Reportaron que para todos
los tratamientos, el incremento en el tiempo de exposición de las fibras al ambiente
alcalino disminuyó el esfuerzo último a tensión, sin embargo, las fibras impregnadas
con parafina fueron las que presentaron el esfuerzo más alto respecto al inicial,
alrededor del 53 %. Los resultados de flexión arrojaron que las probetas reforzadas con
fibras de lechuguilla tratadas con parafina, alcanzaron mayor resistencia que los demás
tratamientos, evidenciando buena adherencia fibra-matriz.
3.2.2. Hidróxido de Calcio (Cal)
El tratamiento con hidróxido de calcio Ca(OH)2 es considerado un tratamiento alcalino
debido a la naturaleza alcalina de dicho compuesto. Este tratamiento mejora las
características adhesivas de la superficie de la fibra mediante la eliminación de las
impurezas naturales como microorganismos y hongos como también las impurezas
artificiales producidas durante el proceso de recolección y obtención de las fibras,
produciendo de este modo una superficie áspera. El tratamiento alcalino favorece la
17
separación de constituyentes parcialmente amorfos tales como hemicelulosa, lignina,
ceras y aceites solubles en solución alcalina, por lo tanto, reduce el nivel de agregación
de la fibra, haciendo una superficie más rugosa. Además, este tratamiento reduce el
diámetro de la fibra aumentando por ende la relación de aspecto longitud/diámetro
(L/D) (Gu 2009).
Para la correcta aplicación de este tratamiento, se debe tener en cuenta parámetros tales
como el tipo y la concentración de la solución de álcali, temperatura de operación,
tiempo de tratamiento, la resistencia del material, así como los aditivos aplicados. Las
condiciones óptimas de aplicación del tratamiento alcalino, garantizan la mejora de las
propiedades mecánicas a tensión y las características de absorción de las fibras que son
muy importantes para el papel que realizan las fibras como material de refuerzo. Por lo
tanto, el desarrollo de una superficie rugosa y la mejora en la relación de aspecto
ofrecen una adhesión interfaz de fibra-matriz superior con el consiguiente aumento en
las propiedades mecánicas (Gu 2009).
Dipa y Sarkar (2000) realizaron una caracterización física y mecánica de las fibras de
yute preparadas con tratamiento alcalino de hidróxido de sodio (NaOH) al 5 % disuelto
en agua. Las fibras fueron caracterizadas a partir de pérdida de peso, densidad lineal,
tenacidad, módulo de elasticidad, difracción de rayos X y FTIR luego de 2, 4, 6 y 8
horas de tratamiento. Encontraron que después de 8 horas de tratamiento, la tenacidad
y el módulo de elasticidad de las fibras aumentaron 45 y 79 % respectivamente,
además, disminuyó el porcentaje de deformación un 23 %. También se encontró una
18
pérdida de peso durante las dos primeras horas debido a una reducción del 22 a 12,9 %
del porcentaje de hemicelulosa en las fibras, lo que ocasiona el incremento en las
propiedades mecánica, puesto que al disminuir el porcentaje de hemicelulosa se
debilitan los enlaces de las cadenas celulares, dejando las fibrillas con libertad de
reorientación en la dirección de la fuerza de tensión como lo afirmó Mukherjee (1993).
3.3. Caracterización físico química
Las propiedades físicas y químicas de un material se determinan por medio de análisis
elemental, análisis próximo, densidad y midiendo su ancho, largo, área transversal,
entre otras.
Análisis elemental: Es una técnica que proporciona el contenido total de carbono,
hidrógeno, nitrógeno y azufre presente en un amplio rango de muestras de naturaleza
orgánica e inorgánica tanto sólidas como líquidas. La técnica está basada en la completa
e instantánea oxidación de la muestra mediante una combustión con oxígeno puro a
una temperatura aproximada de 1000 ºC. Los diferentes productos de combustión como
dióxido de carbono (CO2), Agua (H2O) y dinitrógeno (N2), son transportados mediante
helio (He) a través de un tubo de reducción y después selectivamente separados en
columnas específicas, para ser desorbidos térmicamente. Finalmente, los gases pasan
de forma separada por un detector de conductividad térmica que proporciona una señal
proporcional a la concentración de cada uno de los componentes individuales de la
mezcla (STI UNAL 2010).
19
Análisis próximo: El análisis próximo se le aplica a materiales que se usarán como
fuente de proteína o de energía para conocer sus propiedades y a los alimentos
terminados, para verificar que cumplan con las especificaciones o requerimientos
establecidos durante la formulación. En este análisis se mide el contenido de humedad,
cenizas, material volátil, carbono fijo, azufre total y poder calorífico (STI UNAL 2010).
Densidad: La densidad de una sustancia homogénea es una propiedad física que la
caracteriza y está definida como el cociente entre la masa y el volumen de la sustancia.
Esta propiedad depende de la temperatura y el caso de sustancias no homogéneas se
obtiene una densidad promedio. Para determinar la densidad de una sustancia liquida
se utiliza un picnómetro, instrumento cuya característica principal es la de mantener un
volumen fijo. El picnómetro es muy sensible a los cambios de concentración de sales
en el agua, por lo que se usa para determinar la salinidad del agua, la densidad de
líquidos biológicos en laboratorios de análisis clínicos, entre otras aplicaciones (STI
UNAL 2010).
Área transversal: Es el área del plano perpendicular al eje de simetría de un cilindro
(STI UNAL 2010).
3.4. Ensayo de tensión
El ensayo de tensión mide la resistencia de un material a una fuerza estática o
gradualmente aplicada. Básicamente se toma una probeta estandarizada y se aplica una
fuerza axial que aumenta gradualmente mientras se mide la deformación del espécimen
hasta llegar a la fractura (Askeland 1998). Los datos obtenidos durante el ensayo son
20
utilizados para generar una curva de esfuerzo-deformación, como la que se muestra en
la figura 3.4.
Figura 3.4: Curva esfuerzo-deformación correspondiente a una aleación de aluminio.
Fuente: Askeland 1998.
A partir de esta curva esfuerzo-deformación se puede calcular las siguientes
propiedades mecánicas del material ensayado (Askeland 1998):
Zona elástica: En esta zona la tensión es lineal con la deformación y cuando
desaparece la carga, la probeta vuelve a su forma original sin presentar deformación
permanente.
Zona plástica: Se presenta cuando la tensión aplicada es mayor que el límite elástico
y al retirar la carga, la probeta presenta deformación permanente.
21
Esfuerzo último: Es el valor máximo del esfuerzo de ingeniería que se puede aplicar
sobre el material. Este representa el punto más alto en la gráfica esfuerzo –
deformación.
Esfuerzo de ruptura: Es el esfuerzo que se presenta cuando se da la fractura del
material y suele ser menor que el esfuerzo último.
Módulo de elasticidad: También conocido como módulo de Young, es la pendiente
de la curva esfuerzo-deformación en la región elástica. La magnitud del módulo de
elasticidad es una medida de la resistencia a la separación de los átomos contiguos, es
decir, está relacionado con el valor de unión de los enlaces atómicos. La fuerza de los
enlaces primarios iónico, covalente y metálico son relativamente fuertes y la de los
enlaces secundarios como el Van der Waals y los puentes de hidrógeno son
relativamente débiles. Un módulo de elasticidad muy alto indica una pendiente
pronunciada de la zona elástica en la curva esfuerzo-deformación, indicando que se
necesita mayor energía para separar los enlaces de los átomos del material.
Tenacidad: Es la energía por unidad de volumen que el material puede absorber antes
de llegar a la fractura, se calcula como el área bajo la curva de esfuerzo-deformación.
Resiliencia: Es el área bajo la curva en la zona elástica y representa la energía por
unidad de volumen que absorbe el material cuando se deforma elásticamente.
Ductilidad: Es la medida de la cantidad de deformación plástica que puede darse en
un material antes de la fractura. La ductilidad se puede medir por porcentaje de
elongación o por porcentaje de reducción de área.
22
La norma ASTM C 1557 (2014) describe los procedimientos que se deben seguir para
preparar, montar y ensayar fibras individuales y poder determinar propiedades
mecánicas a partir de ensayos de tensión. De manera general, la fibra se coloca en un
marco de cartulina para que no sufra esfuerzo durante el montaje en la máquina de
ensayos, posteriormente, se aplica una fuerza que incrementa de manera constante en
función del tiempo hasta que se produce la fractura de la fibra. Se considera un
resultado válido cuando la fractura de la fibra no ocurre en la región de sujeción de la
mordaza. La figura 3.5 muestra un esquema del montaje de una fibra en la máquina de
tensión.
Figura 3.5: Esquema del montaje de una fibra en una máquina de tensión
Fuente: (Norma ASTM C 1557 2014)
23
3.5. Concreto
El concreto es una mezcla de un material aglutinante llamado cemento, de agregados
conocidos como áridos y agua, que al endurecerse forman un sólido compacto. La
característica fundamental del concreto es soportar esfuerzos a compresión.
Generalmente se utilizan estructuras de concreto armado con acero para formar una
perfecta combinación, porque el concreto soporta los esfuerzos de compresión y el
acero los esfuerzos de tensión dándole propiedades mecánicas inigualables
(ASOCRETO 2010).
3.5.1. Agregados del concreto
Los agregados son el mayor constituyente en el concreto, generalmente componen más
del 70 % del material y son responsables de que el concreto sea un material económico
en el sector de la construcción. Los agregados son cualquier partícula sólida añadida
intencionalmente al concreto que ocupa un espacio rodeado por pasta de cemento,
proporcionando resistencia mecánica y controlando los cambios volumétricos durante
el fraguado. Se han clasificado en agregado grueso y agregado fino, fijando un valor
de tamaño de 0,075 a 4,76 mm para el fino y 4,76 mm en adelante para el grueso
(ASOCRETO 2010). A continuación se describen las propiedades del agregado fino y
grueso para la realización de concreto:
Agregado fino: La gradación o clasificación granulométrica de este agregado se
realiza conforme a la Norma ASTM E11 (2015). Generalmente, esta clasificación se
complementa con el módulo de finura, que es igual a la centésima parte de la suma de
24
los porcentajes retenidos acumulados en cada una de las mallas de la serie estándar
(ASTM E11 2015). El rango de módulo de finura adecuado para la fabricación de
concreto va desde 2,30 a 3,10 según la norma ASTM C 33 (2013). La arena cuyo
módulo de finura es inferior a 2,30 es perjudicial para esta aplicación, porque suele
requerir mayor consumo de cemento, lo cual repercute adversamente en los cambios
volumétricos y en el costo del concreto. La arena con módulo de finura mayor de 3,10
es demasiado gruesa y también se considera inadecuada, porque tiende a producir
mezclas de concreto ásperas, segregables y proclives al sangrado, dejando gran
contenido de aire (ASOCRETO 2010). La gradación debe satisfacer los límites inferior
y superior que se dan en la norma ASTM C33 (2013):
Agregado grueso: La gradación de este agregado se hace conforme a los tamices de
la Norma ASTM E11 (2015). Para este agregado hay dos factores importantes:
Tamaño máximo: Es el menor tamiz por el que se pasa toda la muestra.
Tamaño máximo nominal: El tamaño máximo nominal de un agregado, es el menor
tamiz por el cual debe pasar la mayor parte del agregado, debe retener del 5 al 15 %
del agregado.
El tamaño máximo del agregado se debe seleccionar teniendo en cuenta que en ningún
caso debe exceder un quinto del menor de los lados de la formaleta, un tercio del
espesor de las losas o las tres cuartas partes del espaciamiento libre entre varillas
individuales de refuerzo (ASOCRETO 2010). La granulometría del agregado grueso
se hace conforme a la norma ASTM C33 (2013).
25
El cemento es un material aglutinante con propiedades de adherencia y cohesión que
permite la unión de fragmentos minerales entre sí para formar un material compuesto
compacto. Los cementos pueden ser clasificados de acuerdo a su resistencia mecánica,
su composición (Portland, siderúrgicos y puzolánicos), por propiedades especiales
como bajo calor de hidratación, resistencia a medios agresivos y rápido desarrollo de
resistencia o por su utilización. El cemento Portland es ampliamente utilizado en todos
los segmentos de la industria de la construcción, y es una mezcla de materiales
calcáreos y arcillosos u otros materiales que contienen sílice, alúmina u óxidos de
hierro, procesados a altas temperaturas y mezclados con yeso (ASOCRETO 2010). La
norma ASTM C150 (2015) suministra una clasificación del cemento Portland.
El agua es un ingrediente fundamental en la elaboración de concreto por la función que
desempeña en el estado fresco y durante el endurecido. La cantidad de agua a proveer
está dada por la relación agua/cemento acorde a las necesidades de trabajabilidad y de
resistencia. El agua debe estar libre de impurezas que puedan causar manchas y
deterioro en el concreto (ASOCRETO 2010).
3.5.2. Concreto reforzado con fibras
Las fibras en el concreto ejercen un mecanismo de puenteo, llamado así porque las
fibras actúan como enlaces o puentes dentro de las grietas, como se ilustra en la figura
26
3.6, con el fin de transmitir los esfuerzos y seguir recibiendo carga en condición
agrietada sin fallar (Pujada 2008, Plaza 2010).
Figura 3.6: Mecanismo de puenteo de las fibras en el concreto.
Fuente: Pujadas (2008)
El concreto reforzado con fibras aumenta alrededor de un 25 % la resistencia a
compresión, sin embargo, las fibras pueden ocasionar un incremento en la tenacidad
del concreto después de la aparición de grietas (Van Chanh 2005). Con respecto a los
esfuerzos de tensión, las fibras alineadas en la dirección del esfuerzo de tensión pueden
brindar un incremento hasta del 150 %, mientras que para distribuciones aleatorias los
valores alcanzan un 60 %. Las fibras tienen un gran aporte en el comportamiento de la
tenacidad del material sometido a flexión donde se han registrado incrementos mayores
al 100 % (Van Chanh 2005). Los incrementos de resistencia en el concreto son
sensibles a características de las fibras tales como volumen, resistencia a la tensión,
longitud, diámetro, geometría, morfología, rugosidad y anclaje de las fibras en la
matriz. Diversos reportes de investigaciones en ensayos a compresión muestran que a
27
partir de cierta cantidad de fibras se obtiene un valor máximo de resistencia y a partir
de dicho valor se experimenta una caída como se observa en la figura 3.7 (Miao 2003;
Osorio et al. 2007; Juárez et al. 2010).
Figura 3.7: Comportamiento de la resistencia a compresión de concreto reforzado
con fibra de acero
Fuente:(Miao 2003).
Miao 2003 realizó ensayos de compresión al concreto autocompactado reforzado con
fibras de acero, observando que para la edad de diseño, a mayores cantidades de fibra
disminuía la resistencia debido al aumento de contenido de aire naturalmente atrapado,
el cual se define como la porción de poros en el contenido de la mezcla en estado fresco.
Sin embargo, el aumento del contenido de aire conforme aumenta el porcentaje de fibra
solo puede asegurarse con el concreto autocompactado, puesto que Myers (2006)
observó que para diferentes dosificaciones de fibra de diferente naturaleza en el
concreto, no existe una tendencia definida en el comportamiento de dicho contenido de
aire.
28
Osorio et al. (2006) estudiaron el efecto en la resistencia a compresión de la
incorporación de fibras de bagazo de caña de azúcar en el concreto, para ello utilizaron
volúmenes de fibra de 0,5; 2,5 y 5 % con dos longitudes de fibra diferentes.
Encontraron que a mayor cantidad de fibra, disminuyó la resistencia a compresión y
densidad del concreto, obteniendo una mejor resistencia a compresión, con la
incorporación de fibras de menor longitud, debido a que la sección transversal es más
regular en su longitud, generando mejor adherencia fibra-matriz que las fibras de
mayor tamaño. Obtuvieron una resistencia a compresión máxima de 16,88 MPa con un
volumen de fibra del 0,5 %, teniendo en cuenta que la resistencia del tratamiento de
control fue de 15,70 MPa.
Juárez et al. (2010) realizó ensayos de compresión a bloques de concreto reforzado con
fibras de lechuguillas utilizando volúmenes de fibra de 0,25; 0,5; 0,75 y 1,0 % con dos
longitudes diferentes, siendo estas 25 mm y 50 mm. Para ambas longitudes encontró
que existe un volumen óptimo de fibra alcanzando una resistencia a compresión
máxima, y a partir de dicho valor, esta empieza a caer, algo que atribuyó a que las fibras
tienden a formar aglomeraciones afectando la compactación y por ende disminuyendo
la resistencia.
Al momento de agregar fibras al concreto se podrían afectar algunas propiedades
importantes que deben mantenerse controladas para garantizar la calidad del concreto.
Algunas de esas propiedades son las siguientes: (Van Chanh 2005).
29
Trabajabilidad: Es el esfuerzo requerido para manipular una cantidad de concreto en
estado pastoso. Los aspectos principales de la trabajabilidad son la consistencia y la
cohesividad. Cuando se adiciona fibra, la trabajabilidad es inversamente proporcional
al volumen de fibra adicionado y a la longitud de la fibra.
Durabilidad: Las fibras naturales por su composición orgánica, cuando están
sometidas a un ambiente alcalino como el cemento tienden a degradarse, por lo que es
necesario hacer tratamientos previos de protección.
Tenacidad: Las fibras se adicionan al concreto buscando un aumento de tenacidad,
proveniente de la capacidad de absorber mayor energía antes de llegar a la fractura.
Resistencia: La resistencia de la matriz concreto-fibras naturales depende de la fuerza
de cohesión de la interfaz matriz-fibras. Las fibras de refuerzo que tienen longitudes
menores que el largo crítico tienden a desprenderse de la matriz, mientras que las fibras
con longitudes mayores al largo crítico soportan cargas y no dejan que las grietas se
propaguen antes de fallar por falta de adherencia. Los valores de largo crítico dependen
de cada fibra y varían de un tipo a otro.
3.5.3. Ensayo de compresión para concreto
El ensayo de compresión en probetas cilíndricas de concreto puede realizarse conforme
a la norma ASTM C39/C39M (2014). Este método de ensayo consiste en aplicar una
carga axial de compresión a probetas a una velocidad de 35±7 Psi/s (0,24±0,035
MPa/s) hasta la falla. El criterio de falla se da cuando la carga alcanza el 95% de la
30
carga máxima aplicada. Las fallas que se pueden presentar en el concreto se muestran
en la figura 3.8. La norma estipula que cuando se presente una falla tipo 5 o 6 se retire
la carga y se vuelva a ensayar la probeta hasta presentar una falla tipo 1, 2, 3 o 4. Se
debe tomar como carga de falla el máximo de los valores encontrados en los ensayos.
La resistencia a compresión en Pa (𝜎) de la probeta se calcula dividiendo la carga
máxima alcanzada en N (Fmax) entre el área de sección transversal de la probeta en m2
(A), como lo muestra la ecuación (1) (ASOCRETO 2010).
𝜎 =𝐹𝑚𝑎𝑥
𝐴 (1)
Fuente: (ASOCRETO 2010).
Figura 3.8: Tipos de fallas comunes en probetas de concreto ensayadas a compresión
Fuente: (Norma ASTM C39/C39M 2014)
31
4. MATERIALES Y MÉTODOS
En este trabajo se utilizaron fibras de capacho provenientes del cultivo de maíz tipo
transgénico BT con densidad de siembra de 25 Kg/ha. Este cultivo fue sembrado en la
segunda cosecha del año 2015 en la Universidad de Córdoba. Las fibras de capacho de
maíz (FCM) se caracterizaron física y químicamente por medio de ensayos de
densidad, de análisis elemental y próximo y se determinaron sus propiedades
mecánicas usando ensayos de tensión. Adicionalmente, se evaluó el efecto de la
adición de fibras en la resistencia del concreto a partir de ensayos de compresión. A
continuación se presentan los materiales y métodos utilizados en este trabajo.
4.1.Obtención y tratamientos de las fibras de capacho de maíz (FCM)
El capacho de maíz se recolectó de forma manual y fue almacenado en una bodega en
bolsas de nylon para protegerlo de la humedad. Con el objetivo de evaluar fibras con
tamaños uniformes, solamente se utilizaron las hojas externas del capacho, puesto que
el espesor y longitud de las fibras disminuyen en las hojas internas de capacho. Las
hojas de capacho de maíz fueron desfibradas manualmente con cepillos de cerdas
suaves de acero, sujetando el extremo contrario al pedúnculo y pasando el cepillo en la
dirección de las fibras hasta que se separaron totalmente. Luego, se cortaron en
32
longitudes de 20 y 50 mm, valores que están dentro del rango de macrofibras naturales
de refuerzo en concreto que varían entre 13 y 70 mm según ICONTEC (2007). Con
fundamento en investigaciones anteriores, se escogieron dos tratamientos diferentes
usados típicamente en preparación de fibras naturales para protegerlas de la humedad,
del ataque microbiológico y del ambiente alcalino del cemento. En uno de los
tratamientos, las fibras se sumergieron en una solución compuesta de 10 g de hidróxido
de calcio por cada 1000 g de agua, agitándolas cada 3 horas durante 1 minuto con una
varilla de acero para garantizar la impregnación del hidróxido de calcio en las fibras.
Después de 48 horas de tratamiento, las fibras se lavaron 3 veces con agua del grifo y
se secaron al sol durante 8 horas. En el otro tratamiento, las fibras se lavaron durante 2
horas con agua del grifo, agitándolas cada media hora durante un minuto,
posteriormente se secaron al sol durante 8 horas. Luego se sumergieron en parafina a
una temperatura de 100 ± 5 °C durante 5 minutos revolviendo con una pinza para crisol
para que las fibras se impregnaran totalmente de parafina. Posteriormente, fueron
secadas al sol y se separaron manualmente para evitar aglomeración.
4.2. Caracterización físico química de las FCM
4.2.1. Análisis próximo de FCM
El análisis próximo de la FCM se realizó en el laboratorio de carbones de la
Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. En la tabla 4.1, se muestran las
características que se midieron en las fibras con las respectivas normas empleadas.
33
Tabla 4.1: Características medidas por el análisis próximo en la FCM
Ensayo Norma
Humedad superficial ASTM D3302/ D3302M 2012
Humedad residual ASTM D3173 2011
Humedad total ASTM D3302/D3302M 2012
Cenizas ASTM D3174 2012
Materia volátil ISO 562 2010
Carbono fijo ASTM D3172 2013
Azufre total ASTM D4239 Método A 2014
Poder calorífico superior ASTM D5865 2013
Fuente: Laboratorio de carbones de la Universidad Nacional de Colombia sede
Medellín
4.2.2. Análisis elemental de FCM
El análisis elemental de la FCM se realizó en un equipo analizador elemental marca
Leco modelo Truspec del laboratorio de química de la Universidad de Antioquia. Se
determinaron los porcentajes en masa de nitrógeno, carbono, hidrógeno, azufre y
oxígeno.
4.2.3. Densidad de FCM
Las densidades reales de las fibras de capacho de maíz tratadas con hidróxido de calcio
(TC), tratadas con parafina (TP) y no tratadas (NT) se determinaron usando el método
picnométrico en el laboratorio de carbones de la Universidad Nacional de Colombia
34
sede Medellín. En una balanza OHAUS-Pioneer de capacidad máxima de 210 g y
resolución de 0,0001 g, se pesó una muestra de fibra, llamándola M1. A continuación,
se determinó la masa de un picnómetro lleno con agua destilada hasta la marca de
enrase llamándola M2. Seguidamente, se adicionó la muestra de fibra anteriormente
pesada al picnómetro y se retiró el agua que sobrepasó la marca de enrase con un palillo
de papel filtro. Se pesó el conjunto picnómetro-agua-fibra y se llamó M3. La cantidad
de agua que salió del picnómetro corresponde al volumen de la fibra que se adicionó.
Se calculó la densidad de la fibra mediante la ecuación (2):
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎 = 𝑀1
(𝑀1 +𝑀2−𝑀3) (2)
Fuente: Escuela Politécnica de Ingeniería de Minas y Energía, Física I, Practica N° 4.
Calculo de densidad.
4.3. Ensayos de tensión en las FCM
Los ensayos de tensión de las fibras de capacho de maíz se realizaron en el laboratorio
de ensayos mecánicos de la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá en una
máquina universal de ensayo marca Shimadzu de 5 KN de capacidad máxima, con
certificado de calibración No 1545 expedido por el laboratorio de calibración ICCLAB.
Los ensayos de tensión se realizaron para evaluar el efecto los tratamientos hidróxido
de calcio y parafina en las propiedades mecánicas de las fibras y fueron desarrollados
35
bajo la norma ASTM C1557 (2014). Se ensayaron 3 fibras preliminarmente para
seleccionar la celda de carga y la velocidad del ensayo acorde a lo sugerido en la norma.
Se escogió una velocidad de 5mm/min y una celda de carga de 50 N. La longitud de
calibración de todas las fibras fue 50 mm, preparadas en marcos de cartulina como se
muestra en la figura 4.1c. Durante los ensayos la humedad relativa y la temperatura se
mantuvieron en 50,3 % y 19° C respectivamente.
El área de la sección transversal utilizada para calcular el valor de esfuerzo se tomó en
un plano perpendicular al eje de la fibra, en la localización o en las proximidades de la
fractura como está estipulado en la Norma ASTM C1557 (2014). Para esto, se tomaron
imágenes en un microscopio estereoscópico marca Nikon modelo SMZ800 y con el
software Image J, se determinó el área transversal por medio de análisis digital de
imágenes. La figura 4.1 muestra la máquina universal de ensayos, el microscopio
estereoscópico y el montaje de las fibras en la cartulina para la realización de los
ensayos. Se realizaron 4 repeticiones para cada tratamiento de fibra y los resultados se
compararon con aquellos de la fibra sin tratar. Además, se elaboraron gráficos de
esfuerzo en función de la deformación unitaria y se determinaron las siguientes
propiedades mecánicas: esfuerzo último a tensión (𝜎𝑢𝑙𝑡), esfuerzo de ruptura (𝜎𝑟𝑢𝑝),
módulo de Young (E), porcentaje de deformación y tenacidad. El módulo de Young se
calculó en la parte lineal después del punto de holgura en el tren de carga como lo
estipula la norma ASTM C1557 (2014).
36
Figura 4.1: a) Máquina universal de ensayos marca Shimadzu de 5 KN utilizada para
ensayos de tensión en FCM. b) Microscopio estereoscópico Nikon modelo SMZ800
utilizado para la toma de imágenes de área transversal de las FCM c) Montaje de la
fibra en marco de cartulina.
Fuente: Laboratorio de ensayos mecánicos de la Universidad Nacional de Colombia
sede Bogotá.
4.4. Elaboración de probetas de concreto para ensayos a compresión
Antes de realizar las probetas de concreto reforzado con fibras, se caracterizaron los
agregados en el laboratorio de suelos Robinson Martínez ubicado en la carrera 4 No
12a 29 barrio Buenavista Montería, bajo los lineamientos de la Norma ASTM C117
(2013). El agregado fino y grueso que se utilizó para la fabricación de las probetas de
concreto fue arena natural lavada y piedra de canto rodado de Asoman (Puerto
Platanito) del lecho del río Sinú, con título minero ILS-16201X. Se emplearon estos
agregados por ser los más utilizados en la industria de la construcción en la ciudad de
Montería (UPME 2014). Se utilizó agua proveniente de la red urbana de la ciudad y
cemento hidráulico portland tipo 1 ARGOS. En la figura 4.2 se muestran los agregados
y la figura 4.3 los tamices y moldes utilizados en este trabajo.
37
Figura 4.2: Agregados provenientes del lecho del río Sinú utilizados en la elaboración
de probetas de concreto reforzado con FCM. a) Arena natural lavada y b) Piedra de
canto rodado
Fuente: Los autores
Figura 4.3: a)Tamices bajo la Norma ASTM D136 con los que se caracterizó los
agregados y b) Moldes cilíndricos bajo norma ASTM C31 con los que realizó las
probetas de concreto reforzado con FCM.
Fuente: Los autores
38
Posteriormente, se realizó un diseño de mezcla para una resistencia última a
compresión después de 28 días de curado de 2500 psi (17,23 MPa), resistencia sugerida
para vigas, columnas y muros armados, acorde al procedimiento descrito por
ASOCRETO (2010). El procedimiento utilizado para determinar las cantidades de
material necesarias para la preparación de 1 m3 de concreto se muestra en los anexos
A10-A19. La relación agua/cemento utilizada fue 0,65. Se realizaron 3 probetas de
control de la mezcla bajo norma ASTM C31 (2003), y se probó el diseño a los 3 días
de curado, el cual dio el 50% de la resistencia de diseño como lo describe ASOCRETO
(2010). Se adiciono porcentajes en volumen de fibra de 0,5; 1 y 1,5 % al concreto.
El procedimiento para la elaboración de las probetas de concreto se hizo bajo norma
ASTM C31 (2003) y partir del diseño de mezcla, se pesaron los agregados para llenar
el volumen equivalente de nueve moldes estándares de 6 pulgadas de diámetro por 12
pulgadas de alto. En una losa de concreto previamente limpia, se mezcló piedra de
canto rodado y arena con la ayuda de una pala, hasta obtener un mezcla homogénea
piedra de canto rodado/arena, posteriormente, se adicionó cemento y se mezcló
nuevamente, luego, se incorporó la respectiva cantidad de FCM. Para mantener la
relación agua/cemento, es decir, evitar que las fibras absorban agua de la mezcla, estas,
fueron saturadas en agua durante 12 horas antes de ser adicionadas a la mezcla.
Seguidamente, se agregó el volumen de agua calculado en el diseño realizando
movimientos continuos hasta que la mezcla alcanzó una consistencia plástica. La parte
interna de los moldes cilíndricos fueron lubricados con aceite mineral, se llenaron con
la mezcla concreto/fibra hasta un tercio de su altura y con una varilla de acero de cabeza
39
redondeada se proporcionaron 25 golpes a la mezcla. La cantidad de mezcla faltante se
adicionó en dos etapas cada una con un tercio de mezcla siguiendo el procedimiento
anteriormente expuesto. Usando un martillo de goma, se realizaron de 10 a 15 golpes
laterales al molde para asentar la mezcla y eliminar el contenido de aire. Este
procedimiento se realizó en un tiempo menor a 15 minutos. Finalmente, se dejó mezcla
excedente sobre el molde para evitar vacíos que podrían aparecer por el asentamiento
de la mezcla. Después de 20 minutos, se retiró el exceso mezcla con una espátula en
los moldes para producir una superficie totalmente plana. Luego de 24 horas se
retiraron los moldes, las probetas se pesaron y se sumergieron en agua para llevar a
cabo el proceso de curado de 3, 7 y 28 días. En total, se fabricaron 12 tipos diferentes
de probetas de concreto reforzado con FCM, la tabla 4.2 muestra las combinaciones y
la nomenclatura adoptada de las muestras variando el tratamiento, longitud y
porcentaje de fibra en volumen.
Tabla 4.2: Combinaciones y nomenclatura de las probetas de concreto reforzado con
FCM
Nomenclatura
Tratamiento de
Preparación
Longitud de
Fibra (mm)
% en Volumen de
Fibra
TC-L2-0,5 Hidróxido de calcio 20 0,5
TC-L5-0,5 Hidróxido de calcio 50 0,5
TC-L2-1,0 Hidróxido de calcio 20 1,0
TC-L5-1,0 Hidróxido de calcio 50 1,0
TC-L2-1,5 Hidróxido de calcio 20 1,5
TC-L5-1,5 Hidróxido de calcio 50 1,5
TP-L2-0,5 Parafina 20 0,5
TP-L5-0,5 Parafina 50 0,5
TP-L2-1,0 Parafina 20 1,0
TP-L5-1,0 Parafina 50 1,0
TP-L2-1,5 Parafina 20 1,5
TP-L5-1,5 Parafina 50 1,5
Fuente: Los autores
40
4.5. Ensayo de las probetas de concreto reforzado con FCM
Los ensayos de compresión en probetas de concreto reforzado con FCM se realizaron
en el laboratorio de suelos Robinson Martínez en la máquina PINZUAR modelo PC 42
que se muestra en la figura 4.4.
Figura 4.4: Máquina PINZUAR modelo PC 42 empleada para los ensayos de
compresión a las probetas de concreto reforzado con FCM.
Fuente: Los autores
Los ensayos se hicieron bajo la norma ASTM C39/C39M (2014) con una velocidad
de ensayo de 35±7 Psi/s (0,24±0,035 MPa/s). Fueron ensayadas 3 probetas para cada
una de las combinaciones relacionadas en la Tabla 4.2 con tiempos de 3, 7 y 28 días
de curado totalizando 117 probetas, incluyendo probetas de concreto sin adición de
fibra para propósitos de comparación llamadas probetas de control o tratamiento de
41
control. Los ensayos se suspendieron cuando se alcanzó el 95% de la carga máxima
aplicada. Adicionalmente, las probetas que presentaron falla tipo 5 o 6 se ensayaron
nuevamente hasta que mostraron una falla tipo 1, 2, 3 o 4. Se tomó como carga de falla
el máximo de los valores encontrados en los ensayos. La resistencia a compresión de
la probeta en Pa (𝜎), se calculó dividiendo la carga máxima alcanzada en N (𝐹𝑚𝑎𝑥)
entre el área de sección transversal de la probeta en m2 (A), como se mostró en la
ecuación (1). Los resultados se discutieron teniendo en cuenta el esfuerzo último (𝜎)
(en adelante resistencia a compresión), el tratamiento de preparación, el porcentaje de
fibra y el tipo de falla.
42
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
5.1. Recolección del capacho de maíz y obtención de fibras
Durante este proceso se encontró que un capacho de maíz completo tiene una masa
promedio de 30 g y una longitud que varía entre 200 y 250 mm. La masa aprovechable
para desfibrar proveniente de las hojas externas de un capacho, es aproximadamente
47 % y las longitudes de fibra pueden llegar hasta los 200 mm. La figura 5.1 muestra
la apariencia de una hoja de capacho durante el proceso de desfibrado y algunas fibras
obtenidas en este proceso.
Figura 5.1: Apariencia de una hoja de capacho durante el proceso de desfibrado y
algunas fibras obtenidas en este proceso
Fuente: Los autores
43
5.2.Análisis próximo de la FCM
La tabla 5.1 muestra las propiedades medidas a la FCM por análisis próximo.
Tabla 5.1 Resultados de análisis próximo de las FCM
Propiedad Resultado Unidad
Humedad superficial 5,63 % en masa
Humedad residual 6,88 % en masa
Humedad total 12,12 % en masa
Cenizas 2,52 % en masa
Materia volátil 82,66 % en masa
Carbono fijo 7,94 % en masa
Azufre total 0,13 % en masa
Poder calorífico superior 16602 KJ/Kg
Fuente: Laboratorio de carbones de la Universidad Nacional de Colombia sede
Medellín
El bajo valor de humedad residual de las FCM permite que se pueden almacenar sin
riesgo a contaminación por bacterias y hongos debido a que el límite para
almacenamientos según KURÚ (2005) es del 14 %. También, pueden ser tratadas
mediante procesos industriales como molienda y transporte neumático, puesto que para
estos procesos la humedad debe ser menor a 10 %, para no ocasionar problemas de
atascamiento en tolvas o reducción del rendimiento de los molinos. Además, las FCM
también podrían ser aprovechadas para la fabricación de tableros de fibra prensada
donde la humedad requerida está en el rango de 5 a 15 % (TEWS 2009).
44
Las cenizas y el azufre son fuentes de gases contaminantes y forman en las paredes de
hornos y calderas depósitos corrosivos como costras y escoria. Los porcentajes
encontrados de cenizas y azufre en las FCM fueron de 2,52 y 0,13 % en masa
respectivamente, los cuales son relativamente bajos comparados con los encontrados
por Quinceno y Mosquera (2010) para el carbón tipo almendra que fueron de 6,92 y
0,65 % respectivamente. Estos resultados evidencian que se ahorraría costos en lavado,
limpieza, mantenimiento y renovación de equipos, si por ejemplo, se toman las FCM
como material de alimentación de calderas y hornos para la producción de energía,
además de mitigar la contaminación por gases.
El porcentaje de materia volátil nos dice que tan fácil combustiona la biomasa (ISO
562 2010) y para las FCM se encontró un porcentaje de 82,66 % en masa el cual es un
porcentaje alto según la norma anterior, por lo que esta biomasa combustiona
fácilmente, con llama larga y sin necesidad de precalentamiento, otra ventaja de las
FCM para aplicaciones de generación de energía por lo que se ahorraría costos en
precalentamiento.
Se obtuvo un poder calorífico de las FCM de 16602 KJ/Kg, lo que equivale a 16,6
MJ/Kg. Al comparar este valor con la clasificación del carbón de acuerdo al poder
calorífico según norma ASTM D388 (2010) como se muestra en la tabla 5.2, se puede
observar que se encuentra en el tipo de lignito y turba, por lo que se podría utilizar en
45
la generación calórica (calefacción), energía eléctrica y para algunos procesos
industriales donde se requiera generar vapor (UPME 2005).
Tabla 5.2: Clasificación del carbón de acuerdo al poder calorífico según norma
ASTM D388 (2010)
Tipo
Carbono
fijo
(%)
Materia
volátil
(%)
Contenido
humedad
(%)
Poder
calorífico
(Btu/lb)
Poder
calorífico
(MJ/Kg)
Poder
calorífico
(Kcal/Kg)
Antracita 86-98 1 <15 >14000 >32.6 >7780
Bituminoso 45-86 32 15-20 10500-14000 24,5-32,6 5800-7780
Subbituminoso 35-45 50 20-30 7800-10500 18,2-24,5 4300-7780
Lignito y Turba 25-35 96 >30 4000-7800 9,3-18,2 2200-4300
Fuente: (Norma ASTM D388 2010)
La figura 5,2, muestra una comparación de resultados de análisis próximo de cascarilla
de arroz y carbón tipo almendra con la FCM. Se puede destacar que la FCM tiene
menores valores de humedad, cenizas y azufre lo que trae grandes ventajas en términos
de almacenamiento, manipulación industrial, bajo mantenimiento de equipos y baja
emisión de contaminantes. Además el poder calorífico de la FCM está por encima de
la cascarilla de arroz, del bagazo de caña húmedo, de la tusa de maíz y de la madera
húmeda como se muestra en la figura 5.3, lo que convierte a la FCM en una alternativa
para generación de energía.
46
Figura 5.2: Comparación de análisis próximo de la cascarilla de arroz y del carbón
tipo almendra con la FCM empleadas en este trabajo
Fuente: Adaptado de Quinceno y Mosquera (2010)
Figura 5.3: Comparación de poder calorífico de diferentes biomasas con el de la FCM
empleadas en este trabajo
Fuente: Adaptado de Quinceno y Mosquera (2010)
6,8
8
2,5
2
82
,66
7,9
4
0,1
38,8
8
13
,06
64
,7
13
,36
0,0
77,1
3
6,9
2
39
,96
45
,59
0,6
5
Humed ad
r e s id ua l
Cenizas Ma te r i a
vo lá t i l
Ca rb o no f i j o Azuf r e to t a l
% e
n m
asa
Analisis próximo
FCM Cascarilla arroz Carbon tipo almendra
1660315272
17787
9770
13146
21862
29289
10460
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
FCM Cascarilla
de arroz
Cascarilla
de café
Bagazo de
caña
húmedo
Tusa de
maíz
Carbón Petróleo Madera (30
% húmeda)
Po
der
cal
ori
fico
(K
J/K
g)
Poder calorifico superior
47
5.4. Análisis elemental de la FCM
La figura 5.4 muestra los resultados del análisis elemental. Se encontró que las FCM
están compuestas principalmente por carbono, oxígeno e hidrógeno, elementos propios
de las cadenas de celulosa, hemicelulosa y lignina (Prado et al. 2012).
Figura 5.4: Análisis elemental de la FCM
Fuente: Laboratorio de química de la Universidad de Antioquia
La figura 5.5 muestra los resultados del análisis elemental de la FCM con los
reportados para la cascarilla de arroz y el bagazo de caña, se puede observar que tienen
composición química similar.
0
42
5,43 0,66
34,9
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
N % C % H % S % O %
% e
m m
asa
Análisis Elemental
48
Figura 5.5: Comparación de análisis elemental de FCM con la cascarilla de arroz y el
bagazo de caña.
Fuente: Adaptado de Quinceno y Mosquera (2010)
5.5. Densidad de FCM
Las densidades de las fibras NT, TC y TP medidas por el método picnométrico fueron
0,92; 1 y 0,87 g/cm3 respectivamente. Véase que el tratamiento alcalino con hidróxido
de calcio aumentó en 8,7 % la densidad de las fibras con respecto a las fibras NT. Este
aumento puede deberse a que el tratamiento alcalino favorece la separación de
constituyentes parcialmente amorfos tales como hemicelulosa, lignina, ceras y aceites,
(Gu 2009), haciendo que las microfibrillas se compacten entre ellas ocasionando una
reducción en el área transversal y por ende una disminución en el volumen de la fibra.
Ahora, el tratamiento con parafina disminuyó la densidad en 5,43 % con respecto a las
fibras NT, lo cual es generado por la impregnación de parafina sobre las microfibrillas,
lo que incrementó el área transversal y por tanto el volumen.
0
42
5,4
3
0,4
7
39
,85
6,0
9
0,5
4
47
,3
6,6
N % C % H %
% e
n m
asa
Anális is elemental
FCM Cascariila de Arroz Bagazo de Caña
49
5.4. Ensayo de tensión en las FCM
La figura 5.6 muestra de manera general las gráficas de esfuerzo-deformación unitaria
para cuatro muestras de FCM NT, TC y TP ensayadas a tensión. La gráfica evidencia
que el TC le dio un comportamiento frágil, mientras que el TP le dio un
comportamiento dúctil comparado con las fibras NT. Por otra parte las FCM mostraron
un comportamiento típico de fibras ensayadas en tensión mostrando al inicio del ensayo
el “punto flojo” u holgura en el tren de carga el cual obedece al deslizamiento de la
fibra en la mordaza al iniciar el ensayo y luego se dio la región lineal donde el esfuerzo
incrementa de manera constante en función de la deformación unitaria como lo muestra
la figura 5.7.
Figura 5.6: Gráficas de esfuerzo-deformación unitaria para cuatro muestras de FCM
NT, TC y TP ensayadas a tensión
Fuente: Los autores
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación unitaria
50
Figura 5.7: Gráfica típica de fuerza vs deformación de la norma ASTM C1557 2014
Fuente: (Norma ASTM C1557 2014)
Adicionalmente, se observó en el diagrama esfuerzo-deformación unitaria de las tres
fibras que después de la región lineal, se presentó un comportamiento intermitente,
mostrando picos antes de llegar a la fractura. Esto se presenta por la fractura individual
de las microfibrillas celulósicas que componen la fibra antes de llegar a la fractura total
(Flores y González 2011). Un comportamiento similar fue reportado por Juárez et al.
(2004) en fibras de lechuguilla ensayadas a tensión. Las fibras presentaron tendencia a
un comportamiento elastoplástico antes de llegar a la fractura, atribuido a que algunas
microfibrillas de celulosa fluyen individualmente o se separan entre sí, pero las
restantes aún pueden mantener la carga, sin embargo, la deformación es permanente.
También se evidencia que los TC y TP redujeron el número de picos en las fibras como
se muestra en la figura 5.8, 5.9 y 5.10. Las gráficas esfuerzo-deformación unitaria de
cada una de las fibras ensayadas a tensión se muestran en anexos A1-A3.
51
Figura 5.8: Diagrama esfuerzo-deformación unitaria para FCM NT donde se
evidencia la gran cantidad de picos
Fuente: Los autores
Figura 5.9: Diagrama esfuerzo-deformación unitaria para FCM TC donde se
evidencia una disminución de la cantidad de picos
Fuente: Los autores
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación unitaria mm/mm
NT
NT3 NT4 NT5 NT6
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación unitaria
TC
TC1 TC3 TC4 TC5
52
Figura 5.10: Diagrama esfuerzo-deformación unitaria para FCM TP donde se
evidencia la raducción de picos
Fuente: Los autores
Los valores de módulo de Young y de esfuerzo último encontrados para las FCM son
reportados en la figura 5.11 y la figura 5.12 respectivamente. Se puede observar, que
el TC aumentó el módulo de Young y el esfuerzo último de las fibras respecto a las
fibras NT en aproximadamente un 45 y 27 % respectivamente. Este aumento se debe a
que la hemicelulosa es hidrófila, soluble en álcali y fácilmente hidrolizada en ácido,
por lo tanto el tratamiento alcalino reduce su porcentaje (Dipa y Sarkar 2000;
Kozlowski et al 2004). La hemicelulosa tiene la función de matriz de apoyo para
microfibrillas de celulosa y al reducirse su porcentaje se liberan las microfibrillas
celulósicas de la red en la que se encuentra inicialmente (Flores y González 2011),
dejando que se muevan con mayor libertad y orientarse en la dirección de la fuerza,
soportando mayores esfuerzos (Mukherjee 1993). La reducción del módulo de Young
con el TP obedece al incremento del área por la impregnación de parafina en las fibras,
la cual no aportaba resistencia a tensión.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación unitaria
TP
TP1 TP3 TP4 TP5
53
Figura 5.11: Valores promedio de módulo de Young para las FCM tratadas y no
tratadas.
Fuente: Los autores
Figura 5.12: Valores promedios de resistencia a tensión de las FCM tratadas y no
tratadas.
Fuente: Los autores
La figura 5.13 muestra el área de la sección transversal tomada en un plano
perpendicular al eje de la fibra usada para calcular los esfuerzos y posteriormente
realizar los gráficos de esfuerzo – deformación unitaria donde se evidencia la
disminución del área transversal para TC y el aumento para TP. El anexo A4-A6
muestra todas las imágenes y los respectivos valores de área encontrados a partir de
análisis digital de imágenes.
2650
3847,1
2183,4
0
1000
2000
3000
4000
5000
NT TC TP
Mó
du
lo d
e Y
ou
ng(M
Pa)
Módulo de Young
55,9771,12
47,03
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
NT TC TP
Esf
uer
zo ú
ltim
o (
MP
a)
Esfuerzo último
54
Figura 5.13: Imágenes y valor del área de fractura de FCM a) NT b) TC y c) TP
Fuente: Los autores
La figura 5.14 muestra los valores de porcentaje de deformación de las FCM ensayadas
a tensión. Véase que hay una tendencia a disminuir esta con el TC, reducción que es
atribuida a que el tratamiento alcalino favorece la separación de constituyentes
parcialmente amorfos tales como hemicelulosa, lignina, ceras y aceites solubles en
solución alcalina, por lo tanto las microfibrillas celulósicas se orientan paralelamente
al eje de la fibra y esta se vuelve rígida, inflexible y con alta resistencia a la tensión
(Julia et al. 2016).
55
Figura 5.14: Porcentaje de deformación promedio en FCM sometidas a tensión con
distintos tratamientos
Fuente: Los autores
La tabla 5.3 muestra la comparación de algunas propiedades mecánicas de la FCM con
otras fibras naturales y con la fibra de vidrio.
Tabla 5.3: Propiedades mecánicas de FCM, fibras naturales y fibra de vidrio
Fibras
Módulo de Young
(MPa)
Esfuerzo
(MPa)
%
Deformación
FCM NT 2650 56 4,03
FCM TC 3493 73 4,15
FCM TP 2183 46 4,47
Caña 19000 330 3
Coco 2300 120 38
Fique 8000 480 9,8
Fibra de vidrio 700000 7800 4
Fuente: Adaptado de Gómez, J (2009)
Se pudo observar que la fibra de coco es la única con módulo de Young similar a las
fibras de capacho de maíz, y, comparándola con la fibra de vidrio, las FCM alcanzan
4,033,28
4,47
0
1
2
3
4
5
6
NT TC TP
% d
efo
rmac
ión
Porcentaje de Deformación
56
solo el 0,05 % de su módulo de Young. En cuanto al esfuerzo a tensión, las FCM
presentan menos resistencia que las fibras de caña, coco y fique, alcanzando el 1 % de
la resistencia de la fibra de vidrio. Las FCM poseen un porcentaje de deformación
similar a las fibras de caña y vidrio, siendo superada solo por las fibras de coco y fique.
A modo de resumen, la tabla 5.4 relaciona las propiedades mecánicas medidas de las
FCM con los diferentes tratamientos en este trabajo. La tenacidad no presento
modificación significativa con los tratamientos.
Tabla 5.4: Propiedades de las FCM medidas en ensayo de tensión
Muestra Área
transversal
(mm2)
Esfuerzo
Último (MPa)
%
Deformación
Módulo de
Young
(MPa)
Tenacidad
(MJ/ m3)
NT 0,447±0,04 55,97±7,84 4,03±0,55 2650,0±177,4 1,37±0,26
TC 0,274±0.06 71,12±10,97 3,28±1,15 3847,1±648,3 1,32±0,69
TP 0,523±0,04 47,03±12,37 4,47±1,22 2183,4±449,6 1,07±0,46
Fuente: Los autores
En los anexos A7-A9 se muestran propiedades de cada una de las muestras de las FCM
medidas en ensayo de tensión.
5.5. Concreto reforzado con FCM
5.5.1. Caracterización de los agregados en el concreto
La figura 5.15 muestra la curva de granulometría de la arena utilizada en este trabajo,
véase que los valores de tamaño de partícula y porcentaje de arena que pasa por los
57
tamices están dentro de los límites establecidos por la Norma ASTM C 33 (2013), por
lo tanto, el agregado fino cumple los requerimientos para la fabricación de concreto.
Figura 5.15: Granulometría de agregado fino utilizado para realización de probetas de
concreto.
Fuente: Los autores
La tabla 5.5 muestra las propiedades del agregado fino utilizado para la fabricación de
las probetas de concreto. El módulo de finura de la arena fue 2,91 valor que se
encuentra dentro del rango de 2,30 ≤ MF ≤ 3,10 permitido para la fabricación de
concreto (ASTM C 33 2013). Acorde al valor de módulo de finura la arena se clasifica
como arena gruesa. El procedimiento de la determinación de la granulometría y el
módulo de finura del agregado fino se muestran en los anexos A10 y A11
respectivamente.
100 97,492,78
78,93
26,41
5,640,42 0,14
100 100 100
85
60
30
10
0
10095
80
50
25
50 0
0
20
40
60
80
100
0,050,55
% Q
ue
pa
sa p
or
el t
am
iz
Diametro de las particulas (mm)
Curva Granulométrica agragado fino
Arena Limite superior Limite inferior
58
Tabla 5.5: Propiedades del agregado fino utilizado para la realización de probetas de
concreto
Propiedad Valor Procedimiento en
anexos
Densidad seca 1601 Kg/m3 A12
Densidad específica aparente 2573 Kg/m3 A13
Densidad Bulk sólido saturado 2604 Kg/m3 A13
Densidad Bulk seca 2604 Kg/m3 A13
% de absorción de agua 1,21 A13
Fuente: Los autores
La figura 5.16 muestra la granulometría del agregado grueso utilizado. El 100 % del
material pasó por la malla de 1 ½ pulgadas y retuvo menos del 5% en la malla de 1
pulgada, por lo tanto, el tamaño máximo nominal es 1 pulgada. La tabla 5.6 muestra
las propiedades del agregado grueso y la tabla 5.7 las del cemento utilizado en la
fabricación de las probetas de concreto.
Figura 5.16: Granulometría de agregado grueso utilizado para la realización de
probetas de concreto
Fuente: Los autores
10096,14
80,52
47,03
30,35
13,926,14
100 100
60
105
100
90
25
0 00
20
40
60
80
100
220
%
Qu
e p
asa
Diametro de las particulas (mm)
Curva Granulométrica Grava
Grava Limite superior Limite inferior
59
Tabla 5.6: Propiedades del agregado grueso utilizado para la realización de probetas
de concreto
Propiedad Valor Procedimiento en
anexos
Tamaño máximo nominal 1 pulgada A14
Densidad seca 1696 Kg/m3 A15
Densidad específica aparente 2622 Kg/m3 A16
Densidad específica seca 2547 Kg/m3 A16
Densidad específica Bulk SSS 2576 Kg/m3 A16
% Absorción 1,13% A16
Fuente: Los autores
Tabla 5.7: Propiedades del cemento Portland tipo 1 utilizado para la realización de
probetas de concreto reforzado con FCM
CEMENTO ARGOS
Masa unitaria suelta (Kg/m3) 1200
Masa específica (Kg/m3)* 3100
Densidad del concreto (Kg/m3) 2367
Fuente: Los autores. *Especificaciones técnicas cemento Portland tipo 1 Argos
5.5.2. Elaboración de la probetas de concreto reforzado con FCM
La tabla 5.8 muestra las cantidades de cemento, grava, agua y arena empleados para
obtener 1 m3 de concreto con resistencia última de 2500 psi (17,2 MPa) (relación
agua/cemento de 0,65).
60
Tabla 5.8. Cantidad de materiales empleados para obtener 1 m3 de concreto con
resistencia última de 2500 psi (17,2 MPa) (relación agua/cemento de 0,65).
Material Masa (Kg) Densidad (Kg/m3) Volumen (m3)
Cemento 277 3100 0,09
Agua 180 1000 0,18
Grava 1119,6 2622 0,43
Arena 769,3 2573 0,30
Fuente: Los autores
Se estableció que para fabricar cualquier volumen de concreto con relación
agua/cemento de 0,65 se deben mantener los porcentajes en masa mostrados en la tabla
5,9.
Tabla 5.9: Porcentajes en masa para la preparación de concreto con relación
agua/cemento de 0,65
Material Masa (Kg) % en Masa
Cemento 277,0 13,3
Arena 769,3 35,3
Grava 1119,6 51,4
Fuente: Los autores
Al realizar la mezcla de grava, arena, agua y fibra se observó cualitativamente que el
esfuerzo físico necesario para revolver la mezcla aumentaba a medida que se
adicionaba mayor porcentaje de fibra, por lo tanto, se puede decir que el aumento en el
porcentaje de fibra incrementa la trabajabilidad de la mezcla. La figura 5.17 muestra
imágenes durante la fabricación de las probetas, véase el molde el utilizado, varilla y
proceso de curado
61
Figura 5.17: Proceso de fabricación de las probetas. a) llenado de los moldes y golpes
con varilla de acero b) golpes laterales con martillo de goma para la extracción de aire
c) enrasado y fraguado d) curado en agua
Fuente: los autores
5.6. Resistencia a compresión de las probetas de concreto reforzado con
FCM
En la figura 5.18 se muestra de manera general los valores promedio de resistencia a
compresión del tratamiento de control y de las probetas de concreto reforzado con FCM
después de 3, 7 y 28 días de curado. De las trece combinaciones evaluadas, las probetas
TC-L20-0,5 - TC-L50-0,5 y TP-L20-0,5 con 28 días de curado presentaron valores
62
similares de resistencia a compresión en comparación a las probetas de concreto sin
fibra utilizada como control. Los valores promedios de resistencia a compresión fueron
15,83; 16,43 y 15,73 MPa respectivamente, siendo la resistencia del tratamiento de
control de 16,02 MPa. El anexo A20 muestra todos los resultados de resistencia a
compresión de cada una de las probetas ensayadas, en este, se puede constatar que
ninguna de las probetas sobrepasa el 7,8 % de desviación, el cual, es el rango de
resistencia de cilindros individuales aceptado por la norma ASTM C39 (2014), dándole
validez a los datos de esta investigación. Y el anexo A21 muestra los valores promedios
de resistencia a compresión para cada mezcla a las tres edades de curado ensayadas.
Figura 5.18: Valores promedio de resistencia a compresión para el tratamiento de
control y las diferentes mezclas de concreto reforzado con FCM con 3, 7 y 28 días de
curado.
Fuente: Los autores
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Res
iste
nci
a a
com
pre
sió
n (
MP
a)
3 días de curado 7 días de curado 28 días de curado
63
Adicionalmente, en la figura 5.18, se observa que al aumentar el porcentaje de fibra
disminuye la resistencia a compresión del concreto. Además, se puede observar en
todas las mezclas, el aumento de la resistencia a compresión de las probetas conforme
aumenta la edad de curado, alcanzando valores promedio de resistencia del 54 y 70 %
para 3 y 7 días de curado respecto a la resistencia de diseño, la cual, es alcanzada a los
28 días de curado. Estos resultados cumplen con los valores reportados en la literatura,
en los que se indica un porcentaje del 50 % a los 3 días y uno del 60 % a los 7 días,
mostrando el mismo comportamiento en el tiempo descrito por ASOCRETO (2010).
La figura 5.19 muestra el comportamiento en el tiempo de la resistencia a compresión
de las probetas TC-L20-0,5; TC.L50-0,5; TP-L20-0,5 quienes fueron, como se había
mencionado, las que alcanzaron una resistencia de diseño similar a las probetas de
control.
Figura 5.19: Resistencia a compresión en función de la edad de curado de las probetas
TC-L20-0,5; TC.L50-0,5; TP-L20-0,5 y control.
Fuente: Los autores
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 5 10 15 20 25 30
Res
iste
nci
a a
com
pre
sió
n (
MP
a)
Edad de curado (Dias)
Control TC-L20-0,5 TC-L50-0,5 TP-L20-0,5
64
Se pudo observar que las probetas reforzadas con FCM que alcanzaron una resistencia
de diseño similar a la de control, tienen el mismo comportamiento en el tiempo que
aquellas sin fibra, es decir, en las tres edades de curado evaluadas, estas poseen
resistencia similar a las probetas de control, por lo que se podría decir que las fibras de
capacho de maíz no afectan el proceso de curado del concreto.
5.6.1. Efecto de la adición de FCM y del tratamiento en la resistencia a compresión
del concreto.
La figura 5.20 muestra la variación de la resistencia a compresión en función del
porcentaje de adición de FCM para longitudes de 20 y 50 mm para 28 días de curado.
Figura 5.20: Resistencia a compresión en función del porcentaje de fibra para los
tratamientos de hidróxido de calcio (TC) y parafina (TP) a los 28 días de curado a)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM de 20 mm de longitud b)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM de 50 mm de longitud.
Fuente: Los autores
65
Para el TC y TP con longitudes de fibras de 20 y 50 mm se notó una tendencia a
disminuir la resistencia a compresión del concreto conforme aumenta el porcentaje de
fibra. La incorporación de fibras dentro de la matriz de concreto, podría ser equivalente
a tener una cantidad similar de agujeros que con altas cantidades de fibra termina por
disminuir la resistencia a compresión. A lo anterior se le suma que a mayores
cantidades de fibras estas tienden a formar aglomeraciones, como lo reporta Juárez et
al. (2010). Dichas aglomeraciones actuarían como grandes vacíos o huecos, afectando
aún más la resistencia a compresión. Para este trabajo se observó una caída hasta los
valores de 4,5 y 10,5 MPa para probetas reforzadas con 1,5 % de FCM tratadas con
hidróxido de calcio y parafina respectivamente, teniendo en cuenta que la resistencia
de las probetas de control fue de 16 MPa. A esto también se le podría añadir que a la
mezcla de concreto se le incorporó una cantidad de fibra sin agregar una cantidad de
cemento adicional, es decir, se utilizó el mismo concreto con las mismas proporciones
de materiales para los tres volúmenes de FCM, algo que también podría jugar un papel
importante en el descenso de la resistencia conforme aumenta el porcentaje de fibra.
Para el caso de 0,5 % de volumen de FCM, esta cantidad de fibra no fue suficiente para
afectar la resistencia a compresión de las probetas.
Igualmente para los 3 y 7 días de curado se observó el comportamiento arriba expuesto,
como se puede ver en los anexos A22 y A23 respectivamente.
En la figura 5.21a se puede apreciar la diferencia en la distribución de las fibras para
porcentajes de 0,5 % y 1,5 %, mostrando aglomeración de FCM en sectores de la
66
probeta resaltado en el círculo rojo que corresponde a la muestra con 1,5 % de FCM,
mientras que la figura 5.21c se ve una distribución de las fibras mucho más uniforme.
Lo anterior concuerda con investigaciones anteriores donde se afirma que a partir de
un valor específico de porcentaje de fibra se obtiene un valor máximo de resistencia a
Figura 5.21: Distribución de FCM en la matriz de concreto. a) Concreto con 1,5 % de
FCM b) Detalle de la aglomeración presentada en probetas con alto volumen de FCM
c) Concreto con 0,5 % de FCM.
Fuente: Los autores
67
compresión, y desde ese punto los valores disminuyen con el aumento del porcentaje
de fibra. Osorio et al. (2007) utilizó fibras de bagazo de caña como refuerzo en el
concreto y obtuvo para un porcentaje de fibra de 0,5 % un valor máximo de resistencia
de 16,88 MPa, teniendo en cuenta que para el tratamiento de control se obtuvo una
resistencia promedio de 15,70 MPa. Este comportamiento también fue observado por
Juárez et al. (2010) utilizando fibras de lechuguilla, incluso ha sido observado en fibras
de acero (Miao, 2003). En esta investigación, para las condiciones y variables
estudiadas, se puede afirmar que el valor máximo corresponde al porcentaje de FCM
de 0,5 %, donde dicho valor fue de 16,43 MPa, mientras que el tratamiento sin FCM
alcanzó una resistencia de 16,02 MPa.
En cuanto al efecto del tratamiento aplicado a las fibras de capacho de maíz, se observó
que para una longitud de fibra de 20 mm, la resistencia de las probetas reforzadas con
0,5 % de FCM tratadas con parafina e hidróxido de calcio son estadísticamente iguales
entre sí, sin embargo, para porcentajes de 1,0 % y 1,5 % las probetas con fibras tratadas
con parafina mantuvieron mejor resistencia a compresión que las probetas con fibras
tratadas con hidróxido de calcio. En términos generales, se puede decir que en las
probetas reforzadas con fibras tratadas con hidróxido de calcio, la resistencia a
compresión disminuye de forma más rápida conforme se aumenta el porcentaje de
FCM comparado con el tratamiento parafina. La tabla 5.10, muestra los porcentajes de
caída de resistencia de las probetas reforzadas con FCM para ambos tratamientos y
porcentajes de 1,0 % y 1,5 % respecto a la probeta de control.
68
Tabla 5.10: Porcentaje de reducción de la resistencia a la compresión de probetas
reforzada con FCM respecto a la de control.
Mezcla Reducción con 1,0 % de
fibra (%)
Reducción con 1,5 % de
fibra (%)
TC-L20 32 67
TC-L50 37 72
TP-L20 16 35
TP-L50 16 34
Fuente: Los autores
Esta caída abrupta en la resistencia a compresión de probetas reforzadas con FCM
tratadas con hidróxido de calcio podría explicarse debido a que las fibras después de
ser sometidas a dicho tratamiento, tienden a enroscarse o arquearse como lo muestra la
figura 5.22a, algo que las hace más susceptibles a entrelazarse entre ellas, por lo tanto,
para volúmenes mayores de fibras se aumenta el grado de aglomeración de fibras, lo
que termina por ocasionar una caída en la resistencia abrupta comparada con el
concreto reforzado con fibras tratadas con parafina. Esta diferencia de distribución de
fibras se puede ver en la figura 5.22, donde se muestran dos fragmentos de probetas
reforzadas con fibras tratadas con hidróxido de calcio y parafina a un porcentaje de 1,5
% de FCM y a una misma longitud.
69
Figura 5.22: a) FCM después de cada tratamiento, observándose la forma en que se
arquean las fibras despues de ser sometidas al tratamiento de hidróxido de calcio a
diferencia de las fibras tratadas con parafina b) distribución de las FCM dentro de la
matriz de concreto para el tratamiento con hidróxido de calcio a un volumen de 1,5
% de fibra c) distribución de las FCM dentro de la matriz de concreto para el
tratamiento con parafina a un volumen de 1,5 % de fibra
Fuente: Los autores
5.6.2. Efecto de la longitud de la FCM en la resistencia a compresión del concreto.
La figura 5.23 muestra la curva de esfuerzo último a compresión en función del
porcentaje de fibra, comparando el efecto de la longitud de la fibra para los tratamientos
70
de hidróxido de calcio y parafina. Igualmente para los 3 y 7 días de curado se observó
el mismo mostrado a los 28 días de curado como se puede ver en los anexos A24 y A25
respectivamente.
Figura 5.23: Curvas de resistencia a compresión en función del porcentaje de fibra
para las longitudes de FCM de 20 y 50 mm a) Comportamiento para el concreto
reforzado con FCM tratadas con hidróxido de calcio para 28 días de curado b)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM tratadas con parafina para 28
días de curado.
Fuente: los autores
Como se pudo observar, los cilindros con fibras tratadas con parafina y longitud
50 mm, fueron los únicos que para el porcentaje de 0,5 % de fibra no alcanzaron una
resistencia similar a la de control, presentando una reducción del 15 %. En cambio,
para los porcentajes de fibra de 1 y 1,5 % tratadas con parafina, se observa un
71
comportamiento similar para ambas longitudes de fibra, Por lo tanto, como sólo se
presentó diferencia para el porcentaje de 0,5 %, esta discrepancia podría ser atribuida
al proceso de fabricación de las probetas, como mala distribución de la fibra en la
mezcla o inadecuado mezclado de los materiales.
Para el caso de las fibras tratadas con hidróxido de calcio, solo se apreció una
discrepancia del 15% entre las probetas con las dos longitudes evaluadas para
porcentajes de fibra del 1,0 % algo que también podría atribuirse al proceso de
fabricación de las probetas.
Por lo tanto, debido a que para las dos longitudes de fibras evaluadas, no se observó
una tendencia ni alguna diferencia en la resistencia a compresión de las probetas
reforzadas con FCM tratadas con cal y parafina, no se puede concluir un efecto de la
longitud de las fibras en la resistencia a compresión del concreto reforzado con FCM.
En investigaciones consultadas con fibras naturales como fibra de bagazo de caña
(Osorio et al. 2007) y fibras de lechuguilla (Juárez et al. 2010), se pudo observar
diferencia en la resistencia a compresión de concreto reforzado con distintas longitudes
de fibra, algo que no fue posible observar en el concreto reforzado con fibras de
capacho de maíz.
72
Igualmente para los 3 y 7 días de curado se observó un comportamiento similar, es
decir, para estas edades tampoco se pudo observar un efecto de la longitud de las FCM
en la resistencia a compresión del concreto reforzado con FCM como se puede ver en
los anexos A24 y A25.
5.6.3. Efecto del porcentaje de FCM en la densidad del concreto
La figura 5.24 muestra la variación de la densidad de las probetas respecto al
tratamiento y porcentaje de fibra usado. Como era de esperarse, a mayores porcentajes
de fibra disminuye la densidad obviamente debido a la reducción de concreto.
Figura 5.24: Densidad de las diferentes mezclas de concreto reforzado con FCM.
Fuente: Los autores
Al igual que en la resistencia a compresión, la caída de la densidad de probetas
reforzadas con FCM tratadas con cal es más significativa que la de aquellas reforzadas
con FCM tratadas con parafina, algo que puede sustentarse debido al alto grado de
22812242
2151
2318 23042284
2249
2100
2150
2200
2250
2300
2350
Den
sid
ad (
Kg/m
3)
Mezclas
TC-0,5 % TC-1,0 % TC-1,5 % Control TP-0,5 % TP-1,0 % TP-1,5 %
73
aglomeración que presentan las fibras tratadas con cal en comparación con las fibras
tratadas con parafina, lo que podría causar mayor cantidad de vacíos dentro de la matriz
lo que terminaría de reducir el peso de las probetas de manera más significativa.
La mayor reducción de densidad sin disminuir la resistencia a compresión fue de 37
Kg/m3, la cual se dio con el tratamiento hidróxido de calcio al 0,5 %. Es decir, para
preparar 1 m3 de concreto reforzado con FCM, se estaría ahorrando una cantidad
aproximada de 37 Kg de concreto, lo que equivale a una reducción del 1,6 % en la
cantidad de cemento, grava y arena. Esta reducción es muy importante puesto que
además de reducir la cantidad de concreto obteniendo la misma resistencia a
compresión, también se reducen las cargas muertas por disminución de peso de la
estructura, algo de gran importancia en la construcción.
5.6.4. Análisis de falla en las probetas de concreto
Durante los ensayo de compresión, se observaron 3 tipos de fallas recurrentes, dos de
los cuales pertenecen a la clasificación suministrada por la norma ASTM C C39/C39M
2014 referenciadas como tipo 2 y tipo 5. La figura 5.25 muestra los tipos de fallas
presentados en las probetas de concreto.
74
Figura 5.25: Tipos de falla producidos en las probetas de concreto durante los
ensayos de compresión. a) Falla tipo 2 encontrada en las probetas de concreto sin
FCM (control) b) falla tipo 5 encontrada en probeta de concreto con 0,5 % de fibra,
c) falla tipo 5 encontrada en probeta de concreto con 1,0 % de fibra d) Falla no
referenciada en la norma ASTM C39/C39M 2014 encontrada en probeta de concreto
con 1,5 % de fibra
Fuente: Los autores
La falla tipo 2, solo se presentó en las probetas de control, mientras que la falla tipo 5
y la no referenciada en la norma se presentaron en las probetas con FCM. La falla tipo
2 se describe como la formación de conos bien formados con fisuras verticales a través
de los cabezales y cono no definido en el otro extremo; mientras que la tipo 5 se define
como la formación de fracturas en los lados de la probeta en la parte superior o inferior.
La falla no referenciada consistió en la generación de pequeñas grietas paralelas a la
dirección de aplicación de la carga y a diferencia de la falla tipo 2 y 5, no se presentó
desprendimiento de material durante el ensayo, sugiriendo que las fibras podrían
obstaculizar la propagación y encuentro de grietas, lo que impide el desprendimiento
de material, deduciendo buena adherencia entre la fibra y la matriz. La falla no
referenciada se muestra en la figura 5.26.
75
Figura 5.26: Falla no referenciada encontrada en las probetas de concreto con FCM a)
grietas paralelas a la dirección de aplicación de la carga, b) detalle de las grietas.
Fuente: Los autores
En la falla no referenciada se observó que la grieta trata de propagarse generalmente
en dirección de la carga desde los bordes superior o inferior. Adicionalmente, se pudo
observar que a medida que aumentó el porcentaje de FCM disminuyó la cantidad de
material desprendido, hasta llegar al porcentaje de 1,5 % en el cual no hubo
desprendimiento de material después de la falla, por lo tanto, se destaca un efecto
positivo en la incorporación de FCM, ya que al momento de la falla, el concreto se
mantiene unido en comparación con la probeta de control en la cual colapsa casi
totalmente después de la falla. Este comportamiento se observó en todas las probetas
de concreto reforzado con FCM, independiente de la longitud de la fibra, del
tratamiento de preparación y de los días de curado. Un resultado similar producto de la
adición de fibras de coco al concreto fue reportado por Quintero et al. (2006).
76
En el caso de las probetas de concreto con 0,5 % de FCM, este resultado tiene mayor
importancia, puesto que adicionalmente se encontró que los valores de resistencia a
compresión fueron similares a los valores de las probetas de concreto sin fibra,
evidenciando la buena adherencia fibra-matriz. Estos resultados sugieren que el
concreto reforzado con 0,5 % de FCM podría presentar una ventaja respecto al concreto
sin refuerzo, puesto que al momento de una falla por sobrecarga en una estructura no
colapsaría totalmente, dándole un valor agregado en términos de seguridad a
construcciones civiles. La tabla 5.11 presenta un resumen de las fallas encontradas en
cada una de las combinaciones de concreto reforzado con FCM.
Tabla 5.11: Tipos de fallas encontrados en concreto reforzado con FCM
Nomenclatura Fotografía Tipo de falla Descripción
Control
Tipo 2
Cono bien definido en
un extremo, fisuras
verticales a través de
los cabezales y cono
no bien definido en el
otro extremo. Presenta
alto desprendimiento
de material al
momento de la falla.
TC-L2-0,5
Tipo 5
Fracturas en los lados
de la probeta en la
parte superior o
inferior. Presenta
poco desprendimiento
de material.
Fuente: Los autores
77
Continuación Tabla 5.11: Tipos de fallas encontrados en concreto reforzado con FCM
Nomenclatura Fotografía Tipo de falla Descripción
TC-L5-0,5
Tipo 5
Fracturas en los lados
de la probeta en la
parte superior o
inferior. Presenta poco
desprendimiento de
material.
TC-L2-1,0
Tipo 5
Fracturas en los lados
de la probeta en la
parte superior o
inferior. Presenta poco
desprendimiento de
material.
TC-L5-1,0
Tipo 5
Fracturas en los lados
de la probeta en la
parte superior o
inferior. Presenta poco
desprendimiento de
material.
TC-L2-1,5
No referenciada
Presenta solo pequeñas
fisuras verticales sin
desprendimiento de
material de la probeta
Fuente: Los autores
78
Continuación Tabla 5.11: Tipos de fallas encontrados en concreto reforzado con FCM
Nomenclatura Fotografía Tipo de falla Descripción
TC-L5-1,5
No referenciada
Presenta solo
pequeñas fisuras
verticales sin
desprendimiento de
material de la probeta
TP-L2-0,5
Tipo 5
Fracturas en los lados
de la probeta en la
parte superior o
inferior
TP-L5-0,5
Tipo 5
Fracturas en los lados
de la probeta en la
parte superior o
inferior, de mayor
tamaño que las
fracturas de las
probetas reforzadas
con FCM tratadas con
hidróxido de calcio
TP-L2-1,0
Tipo 5
Fracturas en los lados
de la probeta en la
parte superior o
inferior, de mayor
tamaño que las
fracturas de las
probetas reforzadas
con FCM tratadas con
hidróxido de calcio
Fuente: Los autores
79
Continuación Tabla 5.11: Tipos de fallas encontrados en concreto reforzado con FCM
Nomenclatura Fotografía Tipo de falla Descripción
TP-L5-1,0
Tipo 5
Fracturas en los lados
de la probeta en la
parte superior o
inferior, de mayor
tamaño que las
fracturas de las
probetas reforzadas
con FCM tratadas con
cal
TP-L2-1,5
No referenciada
Presenta solo
pequeñas fisuras
verticales sin
desprendimiento de
material de la probeta
TP-L5-1,5
No referenciada
Presenta solo
pequeñas fisuras
verticales sin
desprendimiento de
material de la probeta
Fuente: Los autores
Por último se encontró que una hectárea de cultivo de maíz con densidad de siembra
25 Kg/ha (distancia entre surcos de 0,8 m y entre plantas de 0,3 m), produce alrededor
de 1300 kg de materia residual solamente en capacho de maíz, de los cuales se puede
obtener alrededor de 600 Kg en fibra, es decir se alcanza un rendimiento aproximado
80
de 47 %. Utilizando la mezcla que dio mejor resultado en este trabajo, que es la adición
de 0,5 % de FCM, se pueden reforzar 120 m3 de concreto con estos 600 Kg de materia
residual, es decir, solo con la biomasa residual producida en 1 hectárea de maíz
alcanzaría para reforzar 120 m3 de concreto, generando ventajas como la reducción de
1,6 % en la masa de la estructura y en el valor de la construcción, convertirse en fuente
de ingresos para los productores de maíz de la región, además de mitigar la
contaminación de los ríos y terrenos. Así, solamente con el capacho obtenido de 1
hectárea de maíz, teniendo en cuenta la reducción del 1,6 % en la cantidad de material
requerido, se puede obtener una reducción aproximadamente de 540 Kg de cemento,
2150 Kg de grava y 1480 Kg de arena.
81
6. CONCLUSIONES
En el análisis próximo se encontró que las FCM tiene una humedad residual de 6,88
%, cenizas de 2,52 %, metería volátil de 82,66 %, azufre total de 0,13 %, poder
calorífico de 16,602 MJ/Kg, todos estos porcentajes en masa. Los valores de estas
propiedades son recomendables para que las FCM puedan ser almacenadas, tratadas
por medio de transporte neumático, no necesita precalentamiento y ahorro en procesos
de mantenimiento si es implementada como biomasa fuente para la generación de
energía mediante proceso de combustión en calderas.
En el análisis elemental se encontró que las FCM están compuestas principalmente por
42; 34,9 y 5,43 % en masa de carbono, oxígeno e hidrógeno respectivamente,
elementos principales de las cadenas de celulosa, hemicelulosa y lignina. Por otra parte
se obtuvo que la densidad de la FCM NT, TC y TP fue de 0,92; 1 y 0,87 g/cm3
respectivamente, mostrando que el TC aumentó la densidad un 8,7 % y el TP la
disminuyó un 5,43 %.
82
En los ensayos de tensión en las FCM con TC, TP y NT se encontró que las FCM tienen
un esfuerzo último promedio de 56 MPa, módulo de Young de 2650 MPa, deformación
de 4 % y tenacidad de 1,37 MJ/ m3. También se encontró que el tratamiento con
hidróxido de calcio favoreció un comportamiento frágil a la fibra y mejoró el esfuerzo
último y el módulo de Young aumentando en un 27 % y 45 % respectivamente respecto
a las FCM no tratadas. El tratamiento con parafina no mostro mejoría de esfuerzo
último y el módulo de Young, pero si le dio un comportamiento dúctil a la fibra.
En los ensayos de compresión en probetas de concreto reforzadas con FCM a
volúmenes de fibra de 0,5; 1,0 y 1,5 % con longitudes de 20 y 50 mm utilizando dos
tipos de tratamientos a las fibras (TC y TP), se encontró que a medida que aumenta el
porcentaje de fibra de capacho de maíz, disminuye la resistencia y la densidad del
concreto y que dicha disminución es mucho más abrupta cuando se utiliza como
refuerzo fibras tratadas con cal, alcanzando una caída de la resistencia a compresión de
hasta un 72 % para un volumen del 1,5 % de FCM en comparación con el tratamiento
de control. En probetas de concreto reforzadas con FCM se alcanzó un valor máximo
con un volumen del 0,5 % de fibra, dicho valor fue de 16,43 MPa teniendo en cuenta
que el tratamiento de control alcanzó una resistencia de 16,02 MPa. Además, para este
mismo porcentaje de FCM se alcanza una disminución de hasta 37 Kg por cada metro
cúbico en la masa del concreto con fibras en comparación con el concreto sin fibra.
83
Durante los ensayos de compresión, se observaron tres tipos de fallas recurrentes, dos
de las cuales pertenecen a la clasificación suministrada por la norma ASTM C
C39/C39M 2014 referenciadas como tipo 2 y tipo 5. La falla tipo 2, solo se presentó
en las probetas de control, mientras que la falla tipo 5 y la no referenciada en la norma
se presentaron en las probetas con FCM. Observándose que en las probetas que
presentaron la falla no referencia no hubo desprendimiento de material. Esta falla se
produjo en las probetas con 1,5 % de FCM.
En los ensayos de resistencia a compresión de las probetas individuales de concreto
reforzado con FCM ninguna sobrepasa el 7,8 % de desviación, el cual, es el rango
aceptado por la norma ASTM C39 (2014), dándole validez estadística a esta
investigación.
Por lo tanto, se puede garantizar una adición de FCM de hasta 0,5 % sin afectar la
resistencia a compresión del concreto, a esto se le suma la capacidad que le da la fibra
de mantener unido el concreto aun después de la falla y permite disminuir el peso
propio de la estructura.
84
7. RECOMENDACIONES
Para la FCM el análisis próximo genero buenas propiedades para que estas fibras sean
implementadas como biomasa fuente para la generación de energía mediante proceso
de combustión en calderas por lo tanto se recomienda hacer un estudio sobre esto y
para los ensayos de tensión se recomienda probar otros tratamientos de preparación de
fibras naturales, ya que en este trabajo solo de abordó el tratamiento con hidróxido de
calcio y parafina. Además en esta investigación se incorporó FCM al concreto a
volúmenes de fibra del 0.5, 1.0 y 1.5 % en los que se observó el máximo valor de
resistencia a compresión para 0,5 %, y a partir de allí se experimenta una caída en dicho
valor. Por lo tanto, se recomienda hacer un estudio con valores mucho más pequeños
que abarquen un intervalo de 0 a 1 % de volumen de FCM, para así observar con mayor
precisión el comportamiento a compresión de probetas de concreto reforzadas con
FCM, y además, poder establecer si existe un porcentaje de fibra distinto de 0,5 % que
alcance mayor resistencia a compresión. En la revisión bibliográfica se encontró que la
incorporación de fibras al concreto aumenta la tenacidad del material, por lo que se
recomienda para futuras investigaciones medir esta propiedad mecánica para el
concreto reforzado con fibras de capacho de maíz por medio de ensayos de impacto.
85
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96
9. ANEXOS
A 1: Diagrama esfuerzo- deformación unitaria de fibras de capacho de maíz no
tratadas
0
10
20
30
40
50
60
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA NT 3
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA NT 4
97
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA NT 5
0
10
20
30
40
50
60
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA NT 6
98
A 2: Diagrama esfuerzo- deformación unitaria de fibras de capacho de maíz
tratadas con hidróxido de calcio
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA TC 1
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA TC 3
99
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA TC 4
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,0025 0,005 0,0075 0,01 0,0125 0,015 0,0175 0,02 0,0225
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA TC 5
100
A 3: Diagrama esfuerzo- deformación unitaria de fibras de capacho de maíz
tratadas con parafina
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA TP 1
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 0,055
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA TP 3
101
0
10
20
30
40
50
60
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA TP 4
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Esf
uer
zo (
Mpa)
Def. unitaria (mm/mm)
FIBRA TP 5
102
A 4: Fotografías de área transversal de FCM NT
A 5: Fotografías de área transversal de FCM TC
103
A 6: Fotografías de área transversal de FCM TP
A 7: Propiedades mecánicas de las muestras FCM NT ensayadas a tensión
Muestra
Área
transversal
(mm2)
Fuerza
Max
(N)
Fuerza
Rupt
(N)
Esfuerzo
Último
(MPa)
Esfuerzo
Rupt
(MPa)
Desplaz
Total
(mm)
%
Deformación
Módulo
de Young
(MPa)
Tenacidad
(MJ/ m3)
NT - 3 0,435 25,32 24,18 58,21 55,59 1,9 3,79 2480,8 1,4044
NT - 4 0,41 25,36 24,86 61,85 60,63 2,32 4,64 2625,2 1,6911
NT - 5 0,442 20,81 19,81 47,08 44,82 2,14 4,28 2899,2 1,3098
NT - 6 0,5 28,37 28,37 56,74 56,74 1,7 3,39 2594,7 1,0545
Promedio 0,4468 24,97 24,31 55,97 54,44 2,01 4,03 2649,975 1,3650
Desviación 0,04 3,12 3,51 7,84 6,77 0,27 0,55 177,39 0,26
104
A 8: Propiedades mecánicas de las muestras FCM con TC ensayadas a tensión
Muestra
Área
transversal
(mm2)
Fuerza
Max
(N)
Fuerza
Rupt
(N)
Esfuerzo
Último
(MPa)
Esfuerzo
Rupt
(MPa)
Desplaz
Total
(mm)
%
Deformación
Módulo
de Young
(MPa)
Tenacidad
(MJ/ m3)
TC - 1 0,343 27,35 24,97 79,75 72,80 2,08 4,15 3493 1,9634
TC - 3 0,279 16,61 16,25 59,53 58,24 1,38 2,76 3438,1 0,8507
TC - 4 0,196 15,91 15,91 81,19 81,19 2,16 4,31 3646,7 1,8597
TC - 5 0,279 17,86 17,52 64,01 62,79 0,96 1,91 4810,4 0,5980
Promedio 0,2743 19,43 18,66 71,12 68,75 1,64 3,28 3847,1 1,3180
Desviación 0,06 5,34 4,26 10,97 10,28 0,57 1,15 648,27 0,69
A 9: Propiedades mecánicas de las muestras FCM de TP ensayadas a tensión
Muestra
Área
transversal
(mm2)
Fuerza
Max
(N)
Fuerza
Rupt
(N)
Esfuerzo
Último
(MPa)
Esfuerzo
Rupt
(MPa)
Desplaz
Total
(mm)
%
Deformación
Módulo
de Young
(MPa)
Tenacidad
(MJ/ m3)
TP - 1 0,525 18,53 17,92 35,30 34,13 1,35 2,7 2371,3 0,5615
TP - 3 0,542 34,64 33,8 63,91 62,36 2,4 4,8 2717,3 1,6211
TP - 4 0,558 26,72 26,72 47,89 47,89 2,76 5,51 1935,7 1,2337
TP - 5 0,466 19,12 19,12 41,03 41,03 2,44 4,88 1709,3 0,8620
Promedio 0,523 24,75 24,39 47,03 46,35 2,24 4,47 2183,4 1,0696
Desviación 0,04 7,57 7,38 12,37 12,06 0,61 1,22 449,62 0,46
105
A 10: Granulometría de arena de Río Sinú utilizada para la realización de las probetas
de concreto reforzado con FCM
Granulometría (ARENA RÍO SINÚ)
Muestra (g) 1348
Tamiz Tamiz (mm) Masa Retenida %
Retenido
% Pasa
3/8" 9,51 0 0 100
4 4,76 35,1 2,60 97,40
8 2,36 62,2 4,61 92,78
16 1,18 186,7 13,85 78,93
30 0,6 708 52,52 26,41
50 0,3 280 20,77 5,64
100 0,15 70,4 5,22 0,42
200 0,075 3,7 0,27 0,14
A 11: Cálculo de módulo de finura de arena de Río Sinú utilizada para la realización
de las probetas de concreto reforzado con FCM
Módulo de finura (ARENA RÍO SINÚ) (Recalculo)
Muestra(g) 1307,3
Tamiz Masa Retenida % Retenido % Retenido
acumulado
3/8" 0 0 0
8 62,2 4,75 4,75
16 186,7 14,26 19,01
30 708 54,08 73,09
50 280 21,39 94,48
100 70,4 5,38 99,85
291,19
Módulo de finura 2,91
106
A 12: Cálculo de masa unitaria de arena de Río Sinú utilizada para la realización de
las probetas de concreto reforzado con FCM
Determinación de masa unitaria (ARENA RÍO SINÚ)
No. Ensayos 1 2 3 Promedio
Masa molde + material (g) 9897 9832 9816
Masa molde (g) 945 945 945
Masa material (g) 8952 8887 8871
V molde (cm3) 5560 5560 5560
Densidad húmeda (g/cm3) 1,610 1,598 1,596
Humedad (%) 0 0 0
Densidad seca (g/cm3) 1,610 1,598 1,596 1,601
Densidad seca (Kg/m3) 1610 1598 1596 1601
A 13: Cálculo de densidades de arena de Río Sinú utilizada para la realización de las
probetas de concreto reforzado con FCM
Determinación de densidades y porcentaje de absorción (ARENA RÍO SINÚ)
No. Ensayos 1 2 Promedio
Masa picnómetro+ agua (g) 399,6 399,6
Masa picnómetro+ agua+ material (g) 553,6 553,6
Masa material seco (g) 247,1 246,9
Vol sólidos (cm3) 96 96
Masa SSS (g) 250 250
Masa agua en poros (g) 2,9 3,1
Vol sólido saturado (cm3) 93,1 92,9
Densidad específica aparente (g/cm3) 2,574 2,572 2,573
Densidad Bulk sólido saturado (g/cm3) 2,604 2,604 2,604
Densidad Bulk seca (g/cm3) 2,654 2,658 2,656
% Absorción 1,17 1,26 1,21
107
A 14: Cálculo de Tamaño Máximo Nominal de grava de Río Sinú utilizada para la
realización de las probetas de concreto reforzado con FCM
Tamaño Máximo Nominal (TMN) (GRAVA RÍO SINÚ)
Muestra (g) 7822
Tamiz Masa Retenida % Retenido % Pasa
1 1/2" 0 0 100
1" 294 3,86 96,14
3/4" 1191 15,63 80,52
1/2" 2552 33,48 47,03
3/8" 1272 16,69 30,35
4 1252 16,43 13,92
8 593 7,18 6,14
16 238 3,12 3,02
30 230 3,02 0,00
TMN 1"
A 15: Cálculo de masa unitaria de grava de Río Sinú utilizada para la realización de
las probetas de concreto reforzado con FCM
Determinación de masa unitaria (GRAVA RÍO SINÚ)
No. Ensayos 1 2 3 Promedio
Masa molde + material (g) 10421 10231 10464
Masa molde (g) 945 945 945
Masa material (g) 9476 9286 9519
V molde (cm3) 5560 5560 5560
Densidad húmeda (g/cm3) 1,704 1,670 1,712
Humedad (%) 0 0 0
Densidad seca (g/cm3) 1,704 1,670 1,712 1,696
Densidad seca (Kg/m3) 1704 1670 1712 1696
108
A 16: Cálculo de densidades de grava de Río Sinú utilizada para la realización de las
probetas de concreto reforzado con FCM
Determinación de densidades y porcentaje de absorción (GRAVA RÍO SINÚ)
No. Ensayos 1 2 Promedio
Masa del recipiente (g) 183,5 152,6
Masa de la canastilla sumergible (g) 97,6 97,6
Masa recipiente+ material aire (g) 1572 1566,3
Masa recipiente+ material agua (g) 948 961,5
Material seco (g) 1557,3 1549,8
A (g) 1373,8 1397,2
B (g) 1388,5 1413,7
C (g) 850,4 863,9
B-C (g) 538,1 549,8
A-C (g) 523,4 533,3
B-A (g) 14,7 16,5
Densidad específica seca (g/cm3) 2,553 2,541 2,547
Densidad específica Bulk SSS
(g/cm3)
2,580 2,571 2,576
Densidad específica aparente (g/cm3) 2,625 2,620 2,622
% Absorción 1,07 1,18 1,13
Procedimiento para el diseño de la mezcla utilizada para la realización de las
probetas de concreto reforzado con FCM.
Como los agregados cumplen con las especificaciones granulométricas de la norma
ASTM C 33 (2013) se utiliza el método ACI 2011 para dosificar la arena y la grava.
109
Se eligió un asentamiento de 7,5 cm para tener un grado de trabajabilidad medio
(trabajabilidad para muros y columnas) (ASOCRETO 2010). Con los criterios de
tamaño máximo de 1 pulgada del agregado grueso y el asentamiento se eligió la
cantidad de agua de mezclado en la figura A17, que corresponde a 180 Kg/m3. Con la
resistencia requerida de 2500 psi (175 Kg/cm2) y concreto sin contenido de aire se
encuentra la relación agua/cemento de 0,65 en la tabla A18 y se calcula la cantidad de
cemento para un metro cúbico.
𝐴𝑔𝑢𝑎
𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 0,65
𝐶𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =𝐴𝑔𝑢𝑎
0,65=
180 𝐾𝑔/𝑚3
0,62= 277 𝐾𝑔/𝑚3
El agregado grueso tiene un tamaño máximo de 1 pulgada y el agregado fino un módulo
de finura de 2,9, de la taba A19 se obtiene por interpolación que la relación:
𝑏
𝑏0= 0,66
Ahora 𝑏𝑜, =𝑀𝑈𝐶
𝑑𝑔=
1696
2622= 0,647
𝐵 =𝑏
𝑏0∗ 𝑏𝑜, = (0,66)( 0,647) = 0,427 𝑚3/ 𝑚3
Donde
MUC = densidad seca de la grava
Dg = densidad específica aparente de la grava
110
B = volumen de grava para un metro cubico de concreto
El volumen de arena es el complemento a la suma de los ingredientes encontrados para
un metro cubico.
A 17: Requerimientos de agua de mezclado
Fuente: ASOCRETO 2010
111
A 18: Curva de resistencia a compresión–relación agua/cemento
Fuente: ASOCRETO 2010
A 19: Volumen de grava por unidad de volumen de concreto
Fuente: ASOCRETO 2010
112
A 20: Resistencia a compresión de cada una de las probetas ensayadas
Probeta
Tratamiento
Porcentaje
de FCM
Longitud de
las FCM
(mm)
Edad
de
curado
(dias)
Resistencia a
compresión
(Mpa)
% de
Desviación
M1 Cal 0,5 20 28 15,47 2,3
M2 Cal 0,5 20 3 7,44 4,2
M3 Cal 0,5 20 28 15,57 1,7
M4 Cal 0,5 20 7 11,11 2,7
M5 Cal 0,5 20 7 10,89 0,7
M6 Cal 0,5 20 7 10,44 3,4
M7 Cal 0,5 20 3 7,55 2,8
M8 Cal 0,5 20 28 16,46 4,0
M9 Cal 0,5 20 3 8,32 7,0
M10 Cal 0,5 50 28 16,75 1,9
M11 Cal 0,5 50 28 16,47 0,3
M12 Cal 0,5 50 7 11,74 4,6
M13 Cal 0,5 50 3 9,00 6,7
M14 Cal 0,5 50 3 8,41 0,3
M15 Cal 0,5 50 7 11,03 1,7
M16 Cal 0,5 50 3 7,89 6,4
M17 Cal 0,5 50 7 10,91 2,8
M18 Cal 0,5 50 28 16,06 2,2
M19 Cal 1,0 20 7 7,37 1,9
M20 Cal 1,0 20 3 5,87 2,7
M21 Cal 1,0 20 3 6,49 7,6
M22 Cal 1,0 20 28 11,04 1,2
M23 Cal 1,0 20 28 10,91 0,1
M24 Cal 1,0 20 7 7,09 5,6
M25 Cal 1,0 20 3 5,73 5,0
M26 Cal 1,0 20 7 8,07 7,5
M27 Cal 1,0 20 28 10,76 1,3
M28 Cal 1,0 50 28 9,84 2,5
M29 Cal 1,0 50 3 5,53 6,6
M30 Cal 1,0 50 28 10,29 2,0
M31 Cal 1,0 50 7 7,38 1,7
M32 Cal 1,0 50 3 5,06 2,4
M33 Cal 1,0 50 7 6,80 6,3
M34 Cal 1,0 50 7 7,58 4,6
M35 Cal 1,0 50 3 4,96 4,3
Fuente: los autores
113
Continuación A 20: Resistencia a compresión de cada una de las probetas ensayadas
Probeta
Tratamiento
Porcentaje
de FCM
Longitud
de las
FCM
(mm)
Edad de
curado
(dias)
Resistencia
a
compresión
(Mpa)
% de
Desviación
M36 Cal 1,0 50 28 10,16 0,6
M37 Parafina 0,5 20 28 15,32 2,6
M38 Parafina 0,5 20 3 8,31 4,1
M39 Parafina 0,5 20 7 9,83 6,4
M40 Parafina 0,5 20 7 11,20 6,6
M41 Parafina 0,5 20 3 9,05 4,4
M42 Parafina 0,5 20 3 8,64 0,3
M43 Parafina 0,5 20 28 16,19 2,9
M44 Parafina 0,5 20 7 10,49 0,2
M45 Parafina 0,5 20 28 15,69 0,3
M46 Para fina 0,5 50 28 14,03 2,5
M47 Para fina 0,5 50 3 7,18 4,2
M48 Para fina 0,5 50 28 13,44 1,8
M49 Para fina 0,5 50 3 6,89 0,1
M50 Para fina 0,5 50 28 13,58 0,7
M51 Para fina 0,5 50 3 6,61 4,1
M52 Para fina 0,5 50 7 9,22 5,1
M53 Para fina 0,5 50 7 9,99 2,8
M54 Para fina 0,5 50 7 9,94 2,3
M55 Parafina 1,0 50 28 13,44 0,1
M56 Parafina 1,0 50 7 10,05 1,8
M57 Parafina 1,0 50 3 8,85 6,7
M58 Parafina 1,0 50 7 9,56 3,3
M59 Parafina 1,0 50 3 8,12 2,0
M60 Parafina 1,0 50 7 10,02 1,5
M61 Parafina 1,0 50 28 13,40 0,5
M62 Parafina 1,0 50 3 7,90 4,7
M63 Parafina 1,0 50 28 13,53 0,6
M64 Parafina 1,0 20 28 13,80 2,1
M65 Parafina 1,0 20 7 8,52 3,8
M66 Parafina 1,0 20 7 7,75 5,5
M67 Parafina 1,0 20 7 8,35 1,8
M68 Parafina 1,0 20 3 7,13 5,1
M69 Parafina 1,0 20 3 6,69 1,3
M70 Parafina 1,0 20 3 6,53 3,8
Fuente: los autores
114
Continuación A 20: Resistencia a compresión de cada una de las probetas ensayadas
Probeta
Tratamiento
Porcentaje
de FCM
Longitud de
las FCM
(mm)
Edad de
curado
(dias)
Resistencia
a
compresión
(Mpa)
% de
Desviación
M71 Parafina 1,0 20 28 13,31 1,6
M72 Parafina 1,0 20 28 13,44 0,5
M73 Parafina 1,5 20 28 10,40 0,9
M74 Parafina 1,5 20 7 7,47 1,7
M75 Parafina 1,5 20 7 7,25 1,3
M76 Parafina 1,5 20 28 11,00 4,8
M77 Parafina 1,5 20 28 10,09 3,9
M78 Parafina 1,5 20 3 5,58 2,4
M79 Parafina 1,5 20 3 5,51 1,0
M80 Parafina 1,5 20 3 5,27 3,3
M81 Parafina 1,5 20 7 7,32 0,4
M82 Parafina 1,5 50 28 10,16 4,8
M83 Parafina 1,5 50 7 7,67 5,8
M84 Parafina 1,5 50 7 7,09 2,2
M85 Parafina 1,5 50 3 5,52 1,4
M86 Parafina 1,5 50 28 11,05 3,5
M87 Parafina 1,5 50 3 6,01 7,2
M88 Parafina 1,5 50 3 5,27 5,8
M89 Parafina 1,5 50 28 10,82 1,4
M90 Parafina 1,5 50 7 6,99 3,6
M91 Cal 1,5 20 3 2,91 5,0
M92 Cal 1,5 20 28 5,65 7,8
M93 Cal 1,5 20 28 5,12 2,5
M94 Cal 1,5 20 7 3,69 6,4
M95 Cal 1,5 20 28 4,97 5,3
M96 Cal 1,5 20 7 4,01 1,6
M97 Cal 1,5 20 3 2,76 0,5
M98 Cal 1,5 20 3 2,65 4,5
M99 Cal 1,5 20 7 4,13 4,8
M100 Cal 1,5 50 3 2,68 0,8
M101 Cal 1,5 50 28 4,60 1,4
M102 Cal 1,5 50 28 4,23 6,8
M103 Cal 1,5 50 7 3,52 6,3
M104 Cal 1,5 50 7 3,12 5,8
M105 Cal 1,5 50 28 4,78 5,5
Fuente: los autores
115
Continuación A 20: Resistencia a compresión de cada una de las probetas ensayadas
Probeta
Tratamiento
Porcentaje
de FCM
Longitud de
las FCM
(mm)
Edad de
curado
(dias)
Resistencia
a
compresión
(Mpa)
% de
Desviación
M106 Cal 1,5 50 7 3,29 0,6
M107 Cal 1,5 50 3 2,74 1,3
M108 Cal 1,5 50 3 2,69 0,5
M109 Control 0,0 7 11,37 0,2
M110 Control 0,0 3 8,18 3,7
M111 Control 0,0 7 11,49 1,3
M112 Control 0,0 28 15,95 0,5
M113 Control 0,0 3 8,87 4,4
M114 Control 0,0 7 11,17 1,5
M115 Control 0,0 28 15,49 3,3
M116 Control 0,0 3 8,44 0,7
M117 Control 0,0 28 16,63 3,8
Fuente: los autores
A 21: Valores promedios de resistencia a compresión de las diferentes mezclas
evaluadas a los 3, 7 y 28 días de curado
MEZCLAS Resistencia a
compresión para
los 3 días de
curado (MPa)
Resistencia a
compresión para
los 7 días de
curado (MPa)
Resistencia a
compresión para
los 28 días de
curado (MPa)
TC-L2-0,5 7,77 ± 0,48 10,81 ± 0,34 15,83 ± 0,55
TC-L5-0,5 8,44 ± 0,56 11,23 ± 0,45 16,43 ± 0,34
TC-L2-1,0 6,03 ± 0,40 7,51 ± 0,50 10,90 ± 0,14
TC-L5-1,0 5,18 ± 0,30 7,25 ± 0,41 10,10 ± 0,23
TC-L2-1,5 2,77 ± 0,13 3,94 ± 0,23 5,25 ± 0,36
TC-L5-1,5 2,70 ± 0,03 3,31 ± 0,20 4,54 ± 0,28
Control 8,50 ± 0,34 11,34 ± 0,16 16,02 ± 0,58
TP-L2-0,5 8,66 ± 0,37 10,51 ± 0,68 15,73 ± 0,44
TP-L5-0,5 6,89 ± 0,29 9,71 ± 0,43 13,68 ± 0,31
TP-L2-1,0 6,78 ± 0,31 8,20 ± 0,40 13,52 ± 0,26
TP-L5-1,0 8,29 ± 0,49 9,88 ± 0,28 13,46 ± 0,07
TP-L2-1,5 5,46 ± 0,16 7,34 ± 0,11 10,49 ± 0,46
TP-L5-1,5 5,60 ± 0,37 7,25 ± 0,37 10,67 ± 0,46
Fuente: los autores
116
A 22: Resistencia a compresión en función del porcentaje de fibra para los
tratamientos de hidróxido de calcio (TC) y parafina (TP) a los 3 días de curado a)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM de 20 mm de longitud b)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM de 50 mm de longitud.
Fuente: Los autores
117
A 23: Resistencia a compresión en función del porcentaje de fibra para los
tratamientos de hidróxido de calcio (TC) y parafina (TP) a los 7 días de curado a)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM de 20 mm de longitud b)
Comportamiento para el concreto reforzado con FCM de 50 mm de longitud.
Fuente: Los autores
118
A 24: Curvas de resistencia compresión en función del porcentaje de fibra para las
longitudes de FCM de 20 y 50 mm a los 3 días de curado a) Comportamiento para el
concreto reforzado con FCM tratadas con hidróxido de calcio b) Comportamiento
para el concreto reforzado con FCM tratadas con parafina.
Fuente: Los autores
119
A 25: Curvas de resistencia compresión en función del porcentaje de fibra para las
longitudes de FCM de 20 y 50 mm a los 7 días de curado a) Comportamiento para el
concreto reforzado con FCM tratadas con hidróxido de calcio b) Comportamiento
para el concreto reforzado con FCM tratadas con parafina.
Fuente: Los autores